Measurement of forward jet suppression in Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$$ TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Medición de la supresión de jets hacia adelante en colisiones Pb+Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV

Problema y Motivación
La formación de un plasma de quarks y gluones (QGP) en colisiones de iones pesados ultrarelativistas permite el estudio de la pérdida de energía de partones, conocida como extinción de jets (jet quenching). Mientras que la supresión de jets inclusivos ha sido medida extensamente en la rapidez intermedia ($|y| \lesssim 2.8$), la región de rapidez hacia adelante permanece mayormente inexplorada en colisiones de iones pesados. Consideraciones teóricas sugieren que la región hacia adelante ofrece un entorno cinemático distinto: se espera que la fracción de jets iniciados por quarks aumente con la rapidez, mientras que los espectros iniciales de partones se vuelven más empinados. Mediciones previas en rapidez intermedia han mostrado que la supresión de jets depende de la composición de sabor inicial del partón (quark frente a gluón) y de la pendiente del espectro. Sin embargo, desentrañar estos factores requiere mediciones en regiones cinemáticas con diferentes composiciones de sabor. Este trabajo aborda la falta de datos sobre la supresión de jets inclusivos en la región de rapidez hacia adelante para proporcionar nuevas restricciones sobre la dependencia del sabor, la geometría y la densidad del medio de la pérdida de energía de los partones.

Metodología
El análisis utiliza datos recolectados por el detector ATLAS en el LHC durante el Run 2. El conjunto de datos incluye colisiones Pb+Pb registradas en 2018 con una luminosidad integrada de 1.72 nb$^{-1}$ y colisiones $pp$ de 2017 con 255 pb$^{-1}$, ambas a una energía de centro de masa por par de nucleones de $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV.

• Reconstrucción de Jets: Los jets se reconstruyen utilizando el algoritmo anti-$k_t$ con un parámetro de radio $R=0.4$. El análisis se centra en dos intervalos de rapidez hacia adelante: $2.8 < |y| < 3.2$ y $3.2 < |y| < 3.6$. Se aplica un umbral de momento transversal de $p_T > 74$ GeV para asegurar la eficiencia total del trigger y para suprimir las contribuciones de las fluctuaciones del evento subyacente (underlying event, UE).
• Determinación de la Centralidad: La centralidad de los eventos en colisiones Pb+Pb se estima utilizando la energía transversal total en los calorímetros hacia adelante ($\Sigma E_{FCal}^T$), correlacionada con una simulación de Monte Carlo Glauber. Se definen cuatro intervalos de centralidad: 0–10%, 10–20%, 20–50% y 50–80%.
• Sustracción del Fondo y Calibración: La contribución del evento subyacente a la reconstrucción de jets se resta sobre una base evento por evento, contabilizando la modulación de flujo armónico. Se aplican correcciones de escala de energía de jet (JES) y de resolución de energía de jet (JER). La JES incluye componentes específicos para el entorno de iones pesados para contabilizar posibles modificaciones en los patrones de fragmentación de los jets.
• Desconvolución (Unfolding): Para corregir los efectos de resolución del detector y la migración entre bins, se emplea un método de desconvolución bayesiana unidimensional. Las matrices de respuesta se construyen a partir de eventos dijet simulados superpuestos con datos de Pb+MB (mínimo sesgo) para modelar de manera realista el UE.
• Factor de Modificación Nuclear ($R_{AA}$): El $R_{AA}$ se calcula como la relación del rendimiento de jets normalizado por $\langle T_{AA} \rangle$ en colisiones Pb+Pb respecto a la sección eficaz de jets en colisiones $pp$.

Contribuciones Clave y Resultados
Este trabajo presenta la primera medición de la supresión de jets inclusivos en la rapidez hacia adelante en colisiones de iones pesados.

• Observación de la Supresión: Se observa una supresión significativa de los rendimientos de jets en colisiones Pb+Pb en comparación con las colisiones $pp$ en todos los intervalos de centralidad y regiones de rapidez medidos.
• Dependencia de la Centralidad y $p_T$: La magnitud de $R_{AA}$ aumenta monótonamente desde colisiones centrales (0–10%) hasta periféricas (50–80%). La supresión exhibe una dependencia leve con el $p_T$ del jet, con valores de $R_{AA}$ que generalmente aumentan con el $p_T$. La dependencia de $p_T$ es comparable entre los diferentes intervalos de centralidad y rapidez.
• Comparación de Rapidez:
  • En la región $2.8 < |y| < 3.2$, los valores medidos de $R_{AA}$ muestran una tendencia a ser menores que los medidos en la región de rapidez intermedia ($|y| < 2.8$). Esto es consistente con las tendencias sugeridas por mediciones previas en rapidez intermedia y puede reflejar el cambio en la composición de sabor (aumento de la fracción de quarks) y los espectros más empinados en la rapidez hacia adelante.
  • En la región más hacia adelante de $3.2 < |y| < 3.6$, la precisión estadística de la medición es insuficiente para realizar una comparación concluyente con la región $|y| < 2.8$.
• Comparación Teórica: Los valores medidos de $R_{AA}$ se comparan con tres modelos teóricos: el modelo de Transporte de Boltzmann Lineal (LBT), el modelo Híbrido y un Modelo Paramétrico.
  • El modelo LBT reproduce la forma de $R_{AA}$, pero subestima la magnitud de la supresión.
  • El Modelo Paramétrico sobreestima la supresión a alto $p_T$.
  • El modelo Híbrido proporciona la mejor concordancia con los datos cuando se incluyen tanto las dispersiones de Molière como la estela del medio (medium wake, la respuesta del QGP a la energía depositada).

Significancia
El artículo afirma que estos resultados constituyen la primera medición de la supresión de jets inclusivos en la región de rapidez hacia adelante en colisiones de iones pesados. Al sondear un régimen cinemático con diferentes mezclas de jets iniciados por quarks y gluones, densidades efectivas del medio potencialmente diferentes y diferentes niveles de sesgo de selección en comparación con la rapidez intermedia, estas mediciones proporcionan nuevas restricciones para las descripciones teóricas de la extinción de jets. Específicamente, los datos ayudan a desentrañar la dependencia del sabor de la pérdida de energía de los partones y su dependencia de la geometría y la densidad del QGP en expansión. Los resultados sirven como un punto de referencia para los modelos que intentan describir la interacción entre los mecanismos perturbativos y no perturbativos en las interacciones entre el jet y el medio.