Evidence for sequential $\Upsilon$(nS) suppression in light ion collisions

Resumen Técnico: Evidencia de la Supresión Secuencial de $\Upsilon(nS)$ en Colisiones de Iones Ligeros

Planteamiento del Problema
Los quarkonia, estados ligados de pares quark-antiquark pesados, sirven como sondas sensibles para la temperatura y la evolución espacio-temporal del plasma de quarks y gluones (QGP). En colisiones de iones pesados (p. ej., PbPb, AuAu), se ha observado un patrón característico de "supresión secuencial": los estados excitados débilmente ligados (como el $\Upsilon(2S)$ y el $\Upsilon(3S)$) están más fuertemente suprimidos que el estado fundamental fuertemente ligado ($\Upsilon(1S)$) debido al apantallamiento de color y la disociación en el QGP. Sin embargo, desentrañar estos efectos de estado final del QGP de los efectos de materia nuclear fría (CNM) e interacciones de estado inicial sigue siendo un desafío, particularmente en sistemas de colisión más pequeños como el protón-plomo (pPb). Mientras que la supresión secuencial se ha establecido en sistemas grandes, no está claro si los mismos mecanismos operan en sistemas de iones ligeros más pequeños y simétricos, donde la vida útil y el área transversal del medio están significablemente reducidas. Este artículo aborda la necesidad de estudiar sistemas de diversos tamaños con diferentes condiciones iniciales para determinar si la supresión secuencial persiste en colisiones de iones ligeros, probando así la universalidad de la formación y las propiedades del QGP a través de diferentes tamaños de sistema.

Metodología
El estudio utiliza datos recolectados por el detector CMS en el LHC durante 2025, centrándose en colisiones de oxígeno-oxígeno (OO) y neón-neón (NeNe) a una energía de centro de masa de nucleón-nucleón de $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV. Estas mediciones se comparan contra un conjunto de datos de referencia de protón-protón (pp) recolectado a la misma energía en 2024.

• Muestras de Datos: El análisis utiliza luminosidades integradas de $8.4 \pm 0.3$ nb$^{-1}$ para OO, $0.81 \pm 0.03$ nb$^{-1}$ para NeNe, y $456 \pm 14$ pb$^{-1}$ para la referencia de pp.
• Selección de Eventos: Los estados $\Upsilon$ se reconstruyen a través de su decaimiento prompt en dos muones de carga opuesta. Se seleccionan eventos que requieren al menos uno (para AA) o dos (para pp) muones dentro de un mismo cruce de bunch, un vértice primario reconstruido y criterios de traza de "alta pureza" para suprimir fondos de gas de haz. Se requiere que los muones tengan $p_T > 4$ GeV y $|\eta| < 2.4$.
• Extracción de Rendimiento: Los espectros de masa invariante de pares de muones se ajustan en el rango de 8–14 GeV mediante ajustes de máxima verosimilitud no acotados extendidos. El modelo de señal comprende tres picos (para $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$), cada uno descrito por una suma de dos funciones Crystal Ball para dar cuenta de la resolución dependiente de $\eta$. Las posiciones de los picos y las resoluciones de masa para los estados excitados se restringen en relación con el $\Upsilon(1S)$ utilizando las razones de masa promedio mundial. El componente de fondo se modela como una función de error multiplicada por una exponencial.
• Cuantificación: La supresión se cuantifica utilizando dobles razones ($D_{nm}$) de los rendimientos de estados excitados frente a los de referencia en colisiones AA respecto a las colisiones pp:
  $$D_{nm} = \frac{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{AA}}{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{pp}}$$
  donde $(n, m)$ corresponden a $(2, 1)$, $(3, 1)$ y $(3, 2)$. Esta construcción cancela las incertidumbres experimentales comunes y los efectos nucleares de estado inicial que modifican de manera similar a todos los estados $\Upsilon(nS)$.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres se evalúan variando los procedimientos de análisis, incluyendo parametrizaciones alternativas de señal y fondo, variaciones de ponderación de $p_T$ de MC y correcciones de tag-and-probe.
• Comparación Teórica: Los resultados se comparan con las predicciones del marco SHINCHON, que combina hidrodinámica evento por evento con cálculos de disociación de bottomonium basados en la disociación por gluones y la dispersión inelástica de partones.

Contribuciones Clave y Resultados
Este trabajo presenta las primeras mediciones de los estados $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ en colisiones OO, y de los estados $\Upsilon(1S)$ y $\Upsilon(2S)$ en colisiones NeNe.

• Evidencia de Supresión Secuencial:
  • En colisiones OO, las dobles razones se miden como $D_{21} = 0.664 \pm 0.055 \text{ (stat)} \pm 0.007 \text{ (syst)}$, $D_{31} = 0.392 \pm 0.077 \text{ (stat)} \pm 0.023 \text{ (syst)}$, y $D_{32} = 0.59 \pm 0.12 \text{ (stat)} \pm 0.04 \text{ (syst)}$.
  • En colisiones NeNe, $D_{21} = 0.27 \pm 0.12 \text{ (stat)} \pm 0.01 \text{ (syst)}$.
  • Todas las dobles razones están significativamente por debajo de la unidad. La supresión de $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ relativo al $\Upsilon(1S)$ excede las cinco desviaciones estándar en colisiones OO.
  • Crucialmente, la supresión relativa de $\Upsilon(3S)$ respecto al $\Upsilon(2S)$ ($D_{32}$) en colisiones OO está por debajo de la unidad por 3.2 desviaciones estándar. Esto constituye la primera evidencia de la supresión secuencial de $\Upsilon(nS)$ en colisiones de iones ligeros.
• Dependencia del Tamaño del Sistema: Los resultados extienden la jerarquía observada de supresión de estados excitados a sistemas con un número promedio de nucleones participantes ($\langle N_{part} \rangle$) de aproximadamente 10. El patrón de supresión en colisiones OO y NeNe muestra una evolución clara con el tamaño del sistema, consistente con las tendencias observadas en colisiones pPb y PbPb.
• Dependencia Cinemática: Las mediciones como función de la multiplicidad de partículas cargadas ($N_{corr}^{trk}$) y del momento transversal ($p_T$) no muestran una dependencia de $p_T$ significativa dentro de las incertidumbres. La tendencia de aumento de la supresión con la actividad del evento se extiende desde pp hasta PbPb, aunque el artículo señala que la actividad del evento por sí sola no determina completamente la magnitud de la supresión.
• Comparación Teórica: Las predicciones del marco SHINCHON subestiman significativamente la supresión medida, particularmente en las mediciones diferenciales de $p_T$. Esto sugiere que los modelos actuales pueden requerir una dinámica de medio adicional o efectos de disociación más fuertes para describir los datos.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados proporcionan evidencia de que la supresión secuencial de los mesones $\Upsilon$, una característica distintiva de la formación de QGP, no es exclusiva de los sistemas grandes de iones pesados, sino que también emerge en colisiones de iones ligeros (OO y NeNe). La observación de que la supresión dependiente del estado persiste en sistemas con vidas útiles y áreas transversales más pequeñas que las de PbPb implica que los efectos de estado final, tales como el deconfinamiento, pueden manifestarse en estos sistemas más pequeños. La compatibilidad de la magnitud y la dependencia de $p_T$ de la razón $\Upsilon(3S)/\Upsilon(2S)$ entre OO y PbPb respalda una interpretación común de la supresión secuencial a través de diferentes sistemas de colisión. Estos hallazgos refuerzan la visión de que la supresión de quarkonia no requiere estrictamente grandes volúmenes de materia y proporcionan nuevas restricciones para los modelos teóricos que buscan describir la producción de bottomonium desde pp hasta colisiones de iones pesados. El artículo concluye modestamente que, si bien los datos apoyan una interpretación común, la tensión con los modelos teóricos indica la necesidad de un mayor refinamiento en la comprensión de los mecanismos de producción subyacentes y la dinámica del medio.