First measurement of the ratio of ψ(2S)-to-J/ψ inclusive production in pAr and $pp$ collisions at sNN=113GeV with SMOG2
El experimento LHCb reporta la primera medición de la razón de la sección eficaz de producción de ψ(2S) a J/ψ en colisiones pAr y $ppa\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=113\,\mathrm{GeV}$ utilizando SMOG2, observando una razón de 0.90±0.04±0.02 en colisiones pAr que señala la emergencia de efectos nucleares y establece una línea de base para futuros estudios con sistemas de colisión más grandes.
Autores originales: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, M. Barbetti, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, J. L. M. Berkey, R. Bernet, A. Bertolin, L. Bertsch, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, T. Blake, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, C. Bolognani, R. B. Bonacci, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, C. Breitfeld, J. Brodzicka, J. Brown, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, C. Burr, E. Butera, C. Buti, J. S. Butter, J. Buytaert, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. Campomagnani, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. Capelli, M. Caporale, L. Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, G. Chizhik, V. Chobanova, A. Christakakis, M. Chrzaszcz, Y. Chu, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, A. Codovini, C. Codovini, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, A. Corallo, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, G. C. Costantino, C. Cotirlan, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, N. Crepet, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Delaney, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, O. D. Durmus, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. Farmer, F. Fassin, D. Fazzini, L. Felkowski, C. Feng, M. Feng, A. Fernandez Casani, M. Fernandez Gomez, B. Fernandez Rodino, J. Fernandez-John, A. D. Fernez, F. Ferrari, F. Ferreira Rodrigues, R. A. Fini, R. Fiorenza, M. Fiorini, M. Firlej, D. S. Fitzgerald, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, A. Fomin, M. Fontana, M. Fontes Vaz, L. A. Foreman, R. Forty, D. Foulds-Holt, V. Franco Lima, M. Franco Sevilla, M. Frank, E. Franzoso, G. Frau, C. Frei, D. A. Friday, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, G. Galati, M. D. Galati, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gambetta, M. Gandelman, P. Gandini, B. Ganie, H. Gao, R. Gao, T. Q. Gao, Y. Gao, Y. Gao, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, P. Garcia Moreno, J. García Pardiñas, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, A. Gavrikov, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, F. I. Giasemis, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. 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J. Hunter, D. Hutchcroft, M. Idzik, P. Ilten, A. Iohner, S. Jacevicius, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, M. Karacson, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, V. Kholoimov, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, A. Kurzina, V. Kushnir, B. Kutsenko, J. Kvapil, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. Lampis, D. Lancierini, C. Landesa Gomez, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, F. Lazzari, C. Lazzeroni, R. Le Gac, H. Lee, R. Lefèvre, M. Lehuraux, E. Lemos Cid, O. Leroy, T. Lesiak, E. D. Lesser, B. Leverington, A. Li, C. Li, C. Li, H. Li, J. Li, K. Li, L. Li, L. Li, P. Li, P. -R. Li, Q. Li, T. Li, T. Li, W. Li, Y. Li, Y. Li, Y. Li, Z. Li, Z. Lian, Q. Liang, X. Liang, Z. Liang, S. Libralon, A. Lightbody, J. Lin, S. Lin, T. Lin, R. Lindner, H. Linton, R. Litvinov, D. Liu, F. L. Liu, G. Liu, K. Liu, S. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. L. Liu, G. Loachamin Ordonez, I. Lobo, A. Lobo Salvia, A. Loi, T. Long, F. C. L. Lopes, J. H. Lopes, A. Lopez Huertas, C. Lopez Iribarnegaray, Q. Lu, C. Lucarelli, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, M. Lupberger, E. Luppi, K. Lynch, J. Lyu, S. Lyu, X. -R. Lyu, H. Ma, S. Maccolini, F. Machefert, F. Maciuc, B. Mack, I. Mackay, L. M. Mackey, L. R. Madhan Mohan, M. J. Madurai, D. Magdalinski, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, G. Manca, C. Mancuso, R. Manera Escalero, A. Mangalasseri, F. M. Manganella, R. Mangrulkar, D. Manuzzi, S. Mao, D. Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, L. Mareso, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, G. Martellotti, L. Martinazzoli, M. Martinelli, C. Martinez, A. Martinez Armas, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, L. Matzner, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, S. E. R. Medaer, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, S. Mico, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, B. Mitreska, D. S. Mitzel, R. Mocanu, A. Modak, L. Moeser, R. D. Moise, E. F. Molina Cardenas, T. Mombächer, M. Monk, T. Monnard, S. Monteil, A. Morcillo Gomez, G. Morello, M. J. Morello, M. P. Morgenthaler, A. Moro, J. Moron, W. Morren, A. B. Morris, A. G. Morris, R. Mountain, Z. Mu, N. Muangkod, E. Muhammad, F. Muheim, M. Mulder, K. Müller, F. Muñoz-Rojas, V. Mytrochenko, P. Naik, T. Nakada, R. Nandakumar, G. Napoletano, I. Nasteva, M. Needham, N. Neri, S. Neubert, N. Neufeld, J. Nicolini, D. Nicotra, E. M. Niel, L. Nisi, Q. Niu, B. K. Njoki, P. Nogarolli, P. Nogga, J. Nombela Royo, C. Normand, A. Novo Cal, J. Novoa Fernandez, G. Nowak, H. N. Nur, A. Oblakowska-Mucha, T. Oeser, O. Okhrimenko, R. Oldeman, F. Oliva, E. Olivart Pino, M. Olocco, R. H. O'Neil, J. S. Ordonez Soto, D. Osthues, J. M. Otalora Goicochea, P. Owen, A. Oyanguren, O. Ozcelik, F. Paciolla, A. Padee, K. O. Padeken, B. Pagare, T. Pajero, A. Palano, L. Palini, L. Palombini, M. Palutan, C. Pan, X. Pan, S. Panebianco, S. Paniskaki, L. Paolucci, A. 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Rebollo De Miguel, F. Redi, J. Reich, F. Reiss, Z. Ren, P. K. Resmi, M. Ribalda Galvez, R. Ribatti, G. Ricart, D. Riccardi, S. Ricciardi, K. Richardson, M. Richardson-Slipper, F. Riehn, K. Rinnert, P. Robbe, G. Robertson, E. Rodrigues, A. Rodriguez Alvarez, E. Rodriguez Fernandez, J. A. Rodriguez Lopez, E. Rodriguez Rodriguez, J. Roensch, A. Rogovskiy, D. L. Rolf, P. Roloff, A. Romano, V. Romanovskiy, A. Romero Vidal, G. Romolini, F. Ronchetti, T. Rong, W. Rose, M. Rotondo, M. S. Rudolph, G. Ruggiero, M. Ruiz Diaz, J. Ruiz Vidal, J. Ruz Armendariz, J. J. Saavedra-Arias, J. J. Saborido Silva, D. Sahoo, N. Sahoo, B. Saitta, M. Salomoni, I. Sanderswood, R. Santacesaria, C. Santamarina Rios, M. Santimaria, L. Santoro, E. Santovetti, A. Saputi, A. Sarnatskiy, G. Sarpis, M. Sarpis, C. Satriano, A. Satta, M. Saur, H. Sazak, F. Sborzacchi, A. Scarabotto, S. Schael, S. Scherl, M. Schiller, H. Schindler, M. Schmelling, B. Schmidt, N. Schmidt, S. Schmitt, H. Schmitz, O. Schneider, A. Schopper, N. Schulte, H. Schumacher, M. H. Schune, G. Schwering, B. Sciascia, A. Sciuccati, G. Scriven, I. Segal, S. Sellam, M. Senghi Soares, A. Sergi, N. Serra, L. Sestini, B. Sevilla Sanjuan, Y. Shang, D. M. Shangase, R. S. Sharma, L. Shchutska, T. Shears, S. Shelton, J. Shen, Z. Shen, S. Sheng, B. Shi, J. Shi, Q. Shi, W. S. Shi, E. Shmanin, R. Silva Coutinho, G. Simi, S. Simone, M. Singha, I. Siral, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, E. Smith, M. Smith, L. Soares Lavra, M. D. Sokoloff, F. J. P. Soler, A. Solomin, K. Solovieva, N. S. Sommerfeld, R. Song, Y. Song, Y. Song, Y. S. Song, F. L. Souza De Almeida, G. Souza De Castro, B. Souza De Paula, K. M. Sowa, E. Spadaro Norella, E. Spedicato, J. G. Speer, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, S. Stanislaus, M. Stefaniak, O. Steinkamp, F. Suljik, J. Sun, L. Sun, M. Sun, D. Sundfeld, P. Svihra, V. Svintozelskyi, J. Swallow, K. Swientek, F. Swystun, A. Szabelski, T. Szumlak, Y. Tan, Y. Tang, Y. T. Tang, M. D. Tat, J. A. Teijeiro Jimenez, F. Terzuoli, F. Teubert, E. Thomas, D. J. D. Thompson, A. R. Thomson-Strong, R. Thornton, H. Tilquin, V. Tisserand, S. T'Jampens, M. Tobin, T. T. Todorov, L. Tomassetti, G. Tonani, X. Tong, T. Tork, L. Torlai, L. Toscano, D. Y. Tou, C. Trippl, G. Tuci, N. Tuning, L. H. Uecker, A. Ukleja, A. Upadhyay, B. Urbach, A. Usachov, U. Uwer, V. Vagnoni, A. Vaitkevicius, A. Valassi, V. Valcarce Cadenas, G. Valenti, N. Valls Canudas, J. van Eldik, H. Van Hecke, E. van Herwijnen, C. B. Van Hulse, R. Van Laak, M. van Veghel, P. Varrella, R. Vazquez Gomez, P. Vazquez Regueiro, C. Vázquez Sierra, S. Vecchi, J. Velilla Serna, J. J. Velthuis, M. Veltri, A. Venkateswaran, M. Verdoglia, M. Vesterinen, W. Vetens, D. Vico Benet, P. Vidrier Villalba, M. Vieites Diaz, X. Vilasis-Cardona, E. Vilella Figueras, A. Villa, P. Vincent, B. Vivacqua, F. C. Volle, D. vom Bruch, K. Vos, C. Vrahas, J. Wagner, J. Walsh, N. Walter, E. J. Walton, G. Wan, A. Wang, B. Wang, C. Wang, C. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, A. Wasili, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, T. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yuan, Y Yuan, S. Zalambani, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, S. H Zeng, C. Zhang, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, J. Zhao, M. Zhao, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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En el corazón de la materia yace una fuerza tan poderosa que une los bloques de construcción más pequeños del universo. Esta fuerza, conocida como la interacción fuerte, es transportada por partículas llamadas gluones y actúa entre los quarks, los constituyentes fundamentales de los protones y neutrones. Cuando un quark pesado se encuentra con su pareja de antimateria, pueden unirse para formar una partícula de corta duración llamada charmonio. Los científicos estudian estos pares fugaces para comprender cómo se comporta la fuerza fuerte bajo diferentes condiciones. En el vacío, como en una colisión entre dos protones, estas partículas se forman y se desintegran de una manera predecible. Sin embargo, cuando la misma colisión ocurre dentro de un núcleo más grande, el entorno cambia. La densa nube de otras partículas que rodea el punto de colisión puede interferir con la formación o supervivencia del charmonio, actuando como una niebla espesa que podría disolver el delicado vínculo antes de que se forme por completo. Al comparar con qué frecuencia aparecen estas partículas en colisiones simples frente a las que ocurren dentro de un núcleo más pesado, los físicos pueden mapear exactamente cómo este entorno nuclear altera las reglas de la física de partículas.
Un equipo de investigadores que utiliza el experimento LHCb en el CERN ha dado una nueva mirada a este fenómeno al estrellar protones contra gas de argón. Si bien el Gran Colisionador de Hadrones es famoso por colisionar haces de protones de frente a velocidades récord, este experimento utilizó una configuración única donde un haz de protones era disparado hacia una nube estacionaria de gas. Este enfoque de blanco fijo permitió a los científicos estudiar colisiones a un nivel de energía específico de 113 GeV por par de nucleones, un régimen que no había sido explorado con esta precisión anteriormente. El equipo se centró en dos tipos específicos de charmonio: el J/psi y el psi(2S). Estas dos partículas son esencialmente de la misma familia, pero el psi(2S) es una versión más excitada y débilmente unida del J/psi. Debido a que el psi(2S) está unido de forma más débil, la teoría sugiere que debería ser más frágil y más propenso a ser destruido por la niebla nuclear circundante que su primo más robusto.
Para investigar esto, los investigadores analizaron datos recolectados en 2024, cuando inyectaron nubes de hidrógeno y argón en la trayectoria del haz de protones. Las colisiones de hidrógeno sirvieron como una línea base, representando un entorno limpio sin niebla nuclear, mientras que las colisiones de argón proporcionaron el caso de prueba, ya que los núcleos de argón son mucho más grandes y crean un entorno más denso. Al contar cuántas partículas J/psi y psi(2S) se producían en cada tipo de colisión, el equipo calculó una relación que compara las tasas de producción de las dos partículas. Encontraron que en las colisiones protón-protón, la relación del psi(2S) al J/psi era ligeramente superior a la de las colisiones protón-argón. Específicamente, la relación en las colisiones de argón fue aproximadamente un 10 por ciento menor que en las colisiones de protones. Esta diferencia sugiere que el entorno nuclear en el gas de argón está suprimiendo, de hecho, la producción de la partícula psi(2S), más frágil, más que afecta al J/psi.
El estudio no se detuvo en un solo número; los científicos desglosaron sus hallazgos observando la velocidad y la dirección de las partículas producidas. Observaron que este efecto de supresión era más notable cuando las partículas se movían lentamente y se dirigían hacia atrás respecto al haz de protones. Este patrón se alinea con la idea de que la niebla nuclear es más efectiva al interrumpir la formación de estas partículas cuando tienen más tiempo para interactuar con la materia circundante. Los resultados se compararon con mediciones previas de otros experimentos y modelos teóricos que tienen en cuenta las partículas que se mueven junto al charmonio, conocidos como "comovers", así como modelos de absorción nuclear. Los datos encajan bien con la predicción de que el medio nuclear está interfiriendo activamente con la formación del psi(2S), aunque el efecto es modesto.
Este trabajo representa la primera medición precisa de esta relación en colisiones protón-argón a este nivel de energía específico, sirviendo como un punto de referencia crucial para estudios futuros. Los investigadores enfatizan que, si bien la evidencia apunta hacia un efecto de supresión, la muestra de datos es todavía relativamente pequeña, y se necesitará un conjunto de datos más grande para confirmar el hallazgo con mayor certeza. El éxito de esta medición también destaca la capacidad del detector LHCb para operar en este modo de blanco fijo, abriendo la puerta a investigaciones aún más detalladas sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas. Al continuar refinando estas mediciones con diferentes blancos de gas y muestras de datos más grandes, los físicos esperan construir una imagen completa de cómo opera la fuerza fuerte dentro del denso entorno nuclear, arrojando luz sobre las reglas fundamentales que gobiernan el universo en sus escalas más pequeñas.
Resumen Técnico: Primera medida de la razón de producción inclusiva ψ(2S)-a-J/ψ en colisiones pAr y pp a sNN=113 GeV con SMOG2
Problema y Motivación
La producción de charmonia (estados ligados ccˉ) en colisiones de protón-núcleo y núcleo-núcleo sirve como una sonda crítica para la Cromodinámica Cuántica (QCD). En las colisiones de protón-núcleo, la producción de charmonia está sujeta a diversos efectos de estado inicial y final, incluyendo la absorción nuclear, la dispersión múltiple, la pérdida de energía radiativa, la disociación por partículas comóviles y las modificaciones al flujo de partones dentro del núcleo. Estos efectos son distintos de los observados en sistemas más grandes como las colisiones núcleo-núcleo, donde se espera la formación de Plasma de Quarks y Gluones.
Una observable clave para sondear los efectos de estado final es la tasa de producción relativa de los estados de charmonia excitados frente a los de bajo nivel, específicamente la razón ψ(2S)-a-J/ψ. Debido a que la resonancia ψ(2S) está menos débilmente ligada que el mesón J/ψ, se espera teóricamente que sea más sensible a los mecanismos de supresión en un entorno nuclear. Si bien estos fenómenos han sido estudiados en sistemas más grandes, se requieren mediciones de precisión en un amplio rango de condiciones experimentales, particularmente en sistemas más pequeños como las colisiones protón-argón (pAr) a energías intermedias, para comprender plenamente la compleja interacción de estos efectos.
Metodología
Este análisis utiliza datos recolectados por el experimento LHCb durante el Run 3 en su configuración de blanco fijo utilizando el sistema SMOG2 (System for Measuring Overlap with Gas). El estudio se centra en colisiones entre protones de 6800 GeV que circulan en el LHC y blancos de gas estacionarios de hidrógeno (que producen colisiones pp) y argón (que producen colisiones pAr), resultando en una energía de centro de masa de nucleón-nucleón de sNN=113 GeV.
- Muestras de Datos: El análisis utiliza luminosidades integradas de 0.34 pb−1 para colisiones pAr (Bloque de Datos D) y 8.6 pb−1 para colisiones pp (combinadas de los Bloques de Datos D y E).
- Selección de Eventos: Tanto los mesones J/ψ como los ψ(2S) se reconstruyen mediante sus decaimientos en pares de muones de carga opuesta (μ+μ−). Los eventos se seleccionan utilizando un sistema de disparo (trigger) de dos etapas (HLT1 y HLT2), requiriendo muones con umbrales específicos de momento y momento transversal, y masas invariantes consistentes con los estados de charmonia. La selección offline refina aún más estos criterios.
- Extracción de la Señal: Los rendimientos de la señal se determinan mediante ajustes de máxima verosimilitud extendidos a las distribuciones de masa invariante μ+μ−. La señal se modela como una suma de dos funciones Crystal Ball, mientras que el fondo se describe mediante una función exponencial.
- Determinación de la Eficiencia: La razón de las secciones eficaces de producción se calcula corrigiendo la razón de rendimiento bruto por las eficiencias de detección. Estas eficiencias (aceptación geométrica, reconstrucción del vértice primario, seguimiento, trigger e identificación de muones) se estiman utilizando muestras simuladas generadas con Pythia 8 y EPOS, corregidas mediante técnicas basadas en datos (tag-and-probe) utilizando muestras de calibración.
- Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres se categorizan como correlacionadas y no correlacionadas a través de intervalos cinemáticos. Las fuentes incluyen el modelado de la extracción de la señal, el modelado de la eficiencia de aceptación (específicamente los espectros de pT y y∗), la reconstrucción del vértice primario, el seguimiento, el trigger y la identificación de muones. Los efectos de polarización se asumen como cero basándose en mediciones previas en otras energías.
Contribuciones Clave y Resultados
El artículo presenta la primera medida de la razón de la sección eficaz de producción inclusiva ψ(2S)-a-J/ψ en colisiones pAr y pp a sNN=113 GeV. La medida se realiza como una función del momento transversal del charmonia (pT) y la rapidez en el centro de masa (y∗), cubriendo el rango 0<pT<8 GeV/c y −2.3<y∗<0.0.
- Razones Integradas: La razón medida de las secciones eficaces multiplicada por la razón de la fracción de ramificación, Rψ(2S)/J/ψ, es:
- Para colisiones pAr: (1.62±0.05 (est)±0.06 (sist))×10−2
- Para colisiones pp: (1.79±0.05 (est)±0.07 (sist))×10−2
- Doble Razón: La razón del resultado pAr al resultado pp (la doble razón) se mide en:
RpAr/ppψ(2S)/J/ψ=0.90±0.04 (est)±0.02 (sist)
Este valor indica una leve supresión de la producción de ψ(2S) relativa a la de J/ψ en el entorno nuclear de las colisiones pAr en comparación con las colisiones pp. - Dependencia Cinemática: Los datos sugieren que esta supresión se observa preferentemente en el rango cinemático de −2.3<y∗<−0.8 y 0.0<pT<1.5 GeV/c. Los resultados muestran una tendencia creciente con pT para ambos sistemas de colisión, lo cual es consistente con las tendencias observadas en colisiones pp de mayor energía (s=13 TeV) y colisiones pp de menor energía (s=200 GeV).
- Comparación con Modelos: La supresión observada es consistente con las predicciones fenomenológicas que consideran la interacción de estado final de las partículas comóviles con la charmonia y la absorción nuclear. Se estima que la influencia de los efectos de estado inicial (funciones de distribución de partones nucleares) es insignificante (menos del 1%) en esta razón.
Significancia
Este estudio establece una línea base para la interpretación de futuras mediciones que involucren sistemas de colisión más grandes accesibles por el experimento LHCb. El resultado proporciona la medida más precisa del efecto de supresión a energías de colisión de sNN∼100 GeV. Además, el análisis sirve como una prueba de principio para el rendimiento del sistema SMOG2 en física de blanco fijo, demostrando su capacidad para entregar mediciones de charmonia de alta precisión. El artículo concluye que, si bien los datos actuales indican un efecto de supresión, se requiere una muestra de datos más grande para confirmar esta indicación con una mayor significancia estadística. Las mediciones futuras aprovecharán conjuntos de datos más grandes y una mayor diversidad de blancos gaseosos para explorar más a fondo estos efectos nucleares.
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Utilizado por investigadores de Stanford, Cambridge y la Academia Francesa de Ciencias.
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