⚛️ high-energy experiments

Measurement of the fragmentation properties of jets containing $\Upsilon$ (nS) mesons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}$ = 13 TeV, este estudio mide las propiedades de fragmentación de los jets que contienen mesones $\Upsilon$ (nS) y encuentra que los modelos actuales de Monte Carlo, incluyendo desarrollos recientes en la producción de quarkonios, no logran describir satisfactoriamente las proyecciones de momento longitudinal y transversal observadas.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-07-29

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CC BY 4.0

Autores originales: CMS Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el universo como una cocina gigante y caótica donde los ingredientes fundamentales de la materia se mezclan constantemente. En esta cocina, los chefs más famosos son los protones, que chocan entre sí casi a la velocidad de la luz dentro de un anillo masivo llamado el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Cuando estos protones colisionan, no solo se rompen; explotan en una lluvia de nuevas partículas. Entre estas partículas se encuentran los "quarks pesados", que son como los ingredientes densos y pesados del universo. Cuando un quark pesado se encuentra con su pareja antiquark, se pegan para formar un estado ligado llamado "quarkonio". Piensa en esto como un imán de alta resistencia que se cierra de golpe.

El gran misterio que los científicos intentan resolver es cómo se forman y se comportan estos imanes cuando nacen dentro de una tormenta caótica de otras partículas. En física, esto se llama "fragmentación". Es como observar una gota de agua específica que intenta montar una ola: ¿surfea justo en la cresta de la ola, transportando la mayor parte de su energía, o es lanzada de un lado a otro, transportando solo una mínima parte? Los científicos tienen programas informáticos, como chefs digitales, que intentan simular esta cocina. Han escrito recetas (teorías) para predecir exactamente cuánta energía deberían capturar estos imanes pesados. Pero hasta ahora, nadie había comprobado si estas recetas realmente coinciden con lo que sucede en la cocina real de alta velocidad.

Este artículo es un informe del experimento CMS, un detector gigante en el LHC que actúa como una cámara superrápida que toma fotos de estas colisiones de protones. Los científicos analizaron datos de 138 mil billones de colisiones (una luminosidad integrada de 138 fb⁻¹) donde los protones chocaron a una energía de centro de masa de 13 TeV. Se centraron en un tipo específico de imán pesado llamado mesón $\Upsilon(nS)$ (pronunciado "upsilon"), que está hecho de quarks fondo. No solo observaron los imanes; también observaron los "jets" de partículas dentro de los cuales nacieron los imanes. Un jet es como un spray de escombros que sale disparado desde el punto de colisión.

El equipo midió dos cosas principales para ver cómo el mesón $\Upsilon$ estaba montando su jet. Primero, midieron el perfil "longitudinal", que es como preguntar: "¿Qué cantidad de la velocidad hacia adelante del jet está transportando realmente el mesón $\Upsilon$ ?". Llaman a este número $z$ . Segundo, midieron el perfil "transversal", que pregunta: "¿Cuánto está tambaleándose el mesón $\Upsilon$ de lado a lado en relación con la trayectoria del jet?". Llaman a esto $p_{rel}^T$ .

Cuando compararon sus mediciones del mundo real con las predicciones de los programas informáticos (específicamente versiones de un programa llamado PYTHIA 8.240 y la más nueva PYTHIA 8.310), encontraron una discrepancia. Las simulaciones por computadora predijían que los mesones $\Upsilon$ serían muy "aislados", lo que significa que transportarían una enorme parte de la energía del jet y se mantendrían muy cerca del centro del spray. Sin embargo, los datos reales mostraron algo diferente. Los mesones $\Upsilon$ reales transportaban menos energía de lo que predecían las computadoras y se tambaleaban más de lado a lado. En otras palabras, los imanes reales fueron más sacudidos por la tormenta de lo que sugerían las recetas.

Los autores descubrieron que incluso la versión más reciente del programa informático, que incluía algunas reglas actualizadas sobre cómo interactúan las partículas, todavía no podía coincidir perfectamente con los datos. Las simulaciones subestimaron consistentemente la cantidad de "desorden" adicional (actividad hadrónica) dentro de los jets y sobreestimaron cuánta energía conservaban para sí mismos los mesones $\Upsilon$ . Aunque las simulaciones más nuevas se movían en la dirección correcta, todavía no eran lo suficientemente buenas como para describir la realidad observada en el detector.

Este resultado sugiere que nuestra comprensión actual de cómo los quarks pesados se convierten en estos estados ligados dentro de un jet es incompleta. El artículo concluye que los modelos utilizados para describir estos procesos necesitan mejoras. No dice que las teorías estén equivocadas, sino que les faltan detalles sobre cómo los quarks pesados interactúan con las partículas circundantes. Esta medición añade una nueva pieza al rompecabezas del "rompecabezas de la polarización del quarkonio", un misterio de larga data en la física sobre por qué estas partículas se comportan de manera diferente a lo que predicen nuestras mejores teorías. Los científicos esperan que, al proporcionar estas mediciones precisas de cómo los mesones $\Upsilon$ comparten la energía con sus jets, puedan ayudar a los teóricos a refinar sus recetas para que la cocina digital finalmente coincida con la cocina real.

Resumen Técnico: Medición de las propiedades de fragmentación de chorros que contienen mesones $\Upsilon(nS)$

Problema y Motivación
La producción de quarkonia (estados ligados de pares quark-antiquark pesados) involucra aspectos tanto perturbativos como no perturbativos de la Cromodinámica Cuántica (QCD). Mientras que la producción inicial del par quark-antiquark pesado puede describirse de forma perturbativa, la evolución subsiguiente hacia un estado de quarkonium físico requiere un modelado no perturbativo, a menudo abordado mediante la QCD no relativista (NRQCD). Existe una discrepancia de larga data, conocida como el "rompecabezas de la polarización del quarkonium", entre las predicciones teóricas (que sugieren una polarización predominantemente transversal a alto momento transversal) y las observaciones experimentales (que muestran una polarización muy leve).

Mediciones recientes de chorros (jets) que contienen mesones $J/\psi$ han revelado que los generadores de Monte Carlo (MC), específicamente PYTHIA 8.2 y 8.3, subestiman la cantidad de actividad hadrónica adicional dentro de los chorros que contienen quarkonia. Estas discrepancias sugieren deficiencias en el modelado de los elementos de matriz de larga distancia (LDMEs) y en la fragmentación de las cascadas de partones en quarkonia. Si bien estudios previos se centraron en el charmonium ( $J/\psi$ ), la producción de bottomonium ( $\Upsilon$ ) ofrece un terreno de prueba potencialmente más limpio debido a la mayor masa del quark bottom, lo que proporciona una escala más dura y una mejor separación entre los regímenes perturbativo y no perturbativo. Este trabajo aborda la falta de datos sobre las propiedades de fragmentación de los chorros que contienen mesones $\Upsilon(nS)$ ( $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ ) para proporcionar nuevas restricciones al modelado de NRQCD.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 138 fb $^{-1}$ (2016–2018).

Selección de Eventos: Los candidatos a $\Upsilon$ se reconstruyen a través de su desintegración en pares de muones de carga opuesta ( $\mu^+\mu^-$ ). Se requiere que los muones tengan $p_T > 6$ GeV y $|\eta| < 1.4$ . El sistema dimuón debe tener $p_T > 15$ GeV y $|y| < 1.2$ .
Asociación de Chorros (Jets): Los candidatos a $\Upsilon$ seleccionados deben ser constituyentes de un chorro reconstruido. Los chorros se agrupan utilizando el algoritmo anti- $k_T$ con un parámetro de distancia $R=0.4$ . Para corregir el sesgo introducido al incluir muones en la escala de energía del chorro (que es típicamente calibrada en chorros inclusivos sin muones), se emplea un método de "sustracción de muones": los cuatro-momentos de los muones se restan del cuatro-momento del chorro antes de aplicar las correcciones estándar. Los chorros deben tener $p_T > 60$ GeV y $|\eta| < 1.5$ .
Determinación del Rendimiento (Yield): La distribución de la masa invariante de los pares dimuón se ajusta mediante un enfoque de máxima verosimilitud. Los componentes de la señal ( $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ , $\Upsilon(3S)$ ) se modelan con funciones Crystal-Ball, mientras que el fondo se describe mediante un polinomio de Chebyshev de tercer orden.
Observables: Se miden dos variables de fragmentación:
1. Perfil longitudinal ( $z$ ): La fracción del momento del chorro que transporta el mesón $\Upsilon$ a lo largo del eje del chorro, definida como $z = (\vec{p}_{jet} \cdot \vec{p}_{\Upsilon}) / |\vec{p}_{jet}|^2$ .
2. Perfil transversal ( $p_{rel}^T$ ): El momento del mesón $\Upsilon$ perpendicular al eje del chorro, definido como $p_{rel}^T = |\vec{p}_{jet} \times \vec{p}_{\Upsilon}| / |\vec{p}_{jet}|$ .
Desplegado (Unfolding): Las distribuciones a nivel de detector se corrigen a nivel de partícula mediante el método de desplegado iterativo de D'Agostini. Las matrices de transferencia se derivan de simulaciones de PYTHIA 8.240 (ajuste CP1), teniendo en cuenta los efectos de resolución, la migración entre bins y las ineficiencias del detector.
Comparación con Monte Carlo: Los resultados se comparan contra PYTHIA 8.240 y PYTHIA 8.310. Esta última incorpora un tratamiento novedoso de la producción de quarkonia en las cascadas de partones (procesos de fragmentación de NRQCD implementados en cascadas de tipo time-like). Ambas versiones utilizan los ajustes CP1 y CP5, que difieren en el orden perturbativo de la corrida de la constante de acoplamiento fuerte y en las funciones de distribución de partones (PDFs).

Contribuciones Clave

Primera Medición: Este trabajo presenta la primera medición de las propiedades de fragmentación de los chorros que contienen mesones $\Upsilon(nS)$ .
Sensibilidad Transversal: A diferencia de estudios previos que se centraron principalmente en la fragmentación longitudinal, este análisis incluye el perfil de momento transversal ( $p_{rel}^T$ ), mejorando la sensibilidad a las distribuciones dependientes del momento transversal (TMD) y a la dinámica no perturbativa.
Evaluación Sistemática: Se proporciona una evaluación exhaustiva de las incertidumbres sistemáticas, incluyendo la reconstrucción de objetos (escala/resolución de energía del chorro, eficiencia de muones), la reconstrucción de eventos (pileup, pre-disparo del trigger) y la dependencia del modelo de desplegado. La incertidumbre del modelo, derivada de la dependencia del desplegado en el generador MC, se identifica como la fuente dominante, particularmente en la región colineal ( $z \approx 1$ ).

Resultados
Las distribuciones medidas al nivel de partícula muestran discrepancias significativas con todas las predicciones de Monte Carlo probadas:

Perfil Longitudinal ( $z$ ): Los datos indican que los mesones $\Upsilon$ transportan una fracción menor del momento del chorro de lo que predice PYTHIA. Los generadores MC predicen quarkonia más aislados (valores de $z$ más altos) de lo observado.
Perfil Transversal ( $p_{rel}^T$ ): Los datos muestran que los mesones $\Upsilon$ tienen un momento transversal mayor respecto al eje del chorro de lo que predicen las simulaciones.
Desempeño del Modelo: Ni PYTHIA 8.240 ni PYTHIA 8.310 logran reproducir los datos satisfactoriamente. Aunque PYTHIA 8.310, que incluye la fragmentación de la cascada de partones, predice quarkonia menos aislados (menor $z$ ) en comparación con la versión 8.240, la predicción sigue siendo insuficiente para describir los datos.
Diferencias de Ajuste (Tune): Se observan diferencias pequeñas pero claras entre los ajustes CP1 y CP5. El ajuste CP1, que utiliza un valor de $\alpha_S$ más grande para la radiación, genera más actividad hadrónica, lo que resulta en mesones $\Upsilon$ ligeramente menos aislados (menor $z$ , mayor $p_{rel}^T$ ) en comparación con CP5, acercando la predicción marginalmente a los datos, aunque sigue siendo insatisfactoria.

Significancia
El artículo afirma que estas mediciones proporcionan pruebas nuevas y estrictas para la NRQCD. Las discrepancias observadas, consistentes en magnitud con las mediciones previas de $J/\psi$ realizadas por LHCb y CMS, indican que los modelos teóricos actuales de la producción de quarkonia en cascadas de partones están incompletos. Específicamente, los resultados sugieren que el modelado de los elementos de matriz de larga distancia y la interacción entre los mecanismos de singlete de color y octete de color requieren mejoras. La sensibilidad simultánea a las estructuras longitudinales y transversales ofrece restricciones adicionales que pueden ayudar a desentrañar las contribuciones de diferentes estados de Fock y estados de mayor momento angular. En última instancia, se espera que estos resultados contribuyan a resolver el rompecabezas de la polarización del quarkonium mediante el refinamiento de la comprensión de la dinámica no perturbativa en la producción de quarks pesados.

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