Spin-dependent azimuthal asymmetry of coherent J/$\psi$ photoproduction in hadronic PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.36 TeV

Resumen Técnico: Asimetría Azimutal Dependiente del Espín de la Producción Fotoproducción Coherente de $J/\psi$ en Colisiones de PbPb Hadrónicas

Problema y Motivación
En colisiones de iones pesados ultrarelativistas, los intensos campos electromagnéticos de los núcleos pueden modelarse como flujos de fotones cuasi-reales. Estos fotones pueden fluctuar en pares virtuales de quarks-antiquarks e interactuar con otro núcleo mediante el intercambio de gluones de singlete de color para producir mesones vectoriales reales (por ejemplo, $J/\psi$, $\rho^0$). Aunque la fotoproducción coherente ha sido estudiada extensamente en colisiones ultraperiféricas (UPC), donde el parámetro de impacto excede la suma de los radios nucleares, este proceso también ocurre en colisiones hadrónicas.

Una predicción teórica clave es que los fotones linealmente polarizados de los campos contraídos por Lorentz transfieren su polarización al mesón vectorial producido coherentemente. Esta polarización debería manifestarse como una modulación de segundo orden (armónico $\cos(2\phi)$) en la distribución azimutal de los productos de desintegración del mesón respecto al eje de polarización. Las mediciones previas en UPC dependieron de la interferencia cuántica entre rutas de producción indistinguibles (donde cualquiera de los núcleos actúa como fuente de fotones) para correlacionar el momento transversal ($p_T$) del mesón con su polarización. Sin embargo, esta interferencia se suprime en rapididades grandes o en sistemas asimétricos, y el alto $p_T$ de los leptones de desintegración de mesones pesados como el $J/\psi$ dificulta la determinación precisa de la dirección del $p_T$.

El problema central abordado es la observación directa de la asimetría azimutal dependiente del espín en mesones vectoriales fotoproducidos coherentemente dentro de colisiones hadrónicas, independientemente de los efectos de interferencia cuántica. El artículo propone utilizar el plano de evento de segundo orden ($\Psi_2$), reconstruido a partir del flujo de partículas cargadas, como un proxy robusto para la dirección del parámetro de impacto y, consecuentemente, del eje de polarización del fotón.

Metodología
El análisis utiliza datos del experimento CMS en el LHC, correspondientes a colisiones de plomo-plomo (PbPb) a una energía de centro de masa por par de nucleones de $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV, recolectados en 2023 con una luminosidad integrada de 1.26 nb$^{-1}$.

1. Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan utilizando un disparador (trigger) de ancho de banda mínimo que requiere depósitos de energía en calorímetros de hadrones frontales (HF) y candidatos de neutrones en calorímetros de cero grados (ZDC). Fuera de línea, los eventos se restringen a la clase de centralidad 50–80% para asegurar una contribución coherente significativa mientras se gestiona el fondo. Se requiere que los vértices primarios estén dentro de 25 cm del punto de interacción a lo largo del eje del haz.
2. Reconstrucción de la Señal: Los mesones $J/\psi$ se reconstruyen a través de su desintegración en pares de muones ($J/\psi \to \mu^+\mu^-$). Los muones deben cumplir con los criterios de identificación de "muones suaves" (soft muons) y situarse dentro de un espacio de fase fiducial definido por un límite inferior de $p_T$ dependiente de $\eta$. Se requiere que la masa invariante de los pares de muones esté entre 2.6 y 4.2 GeV.
3. Determinación del Plano de Evento: El ángulo del plano de evento de segundo orden ($\Psi_2$) se reconstruye utilizando el vector de flujo ($Q_2$) derivado de trazas con $0.3 < p_T < 3.0$ GeV y $|\eta| < 2.4$, excluyendo las trazas asociadas con los pares de muones seleccionados para evitar autocorrelaciones. La resolución del plano de evento se determina mediante el método de tres sub-eventos con los calorímetros HF.
4. Medición de la Asimetría: El ángulo azimutal del muón positivo ($\phi_{\mu^+}$) se mide en el sistema de referencia del $J/\psi$. La variable de interés es $\Delta\phi = \phi_{\mu^+} - \Psi_2$. La distribución de $\Delta\phi$ se segmenta en bins y se ajusta a la forma $N(\Delta\phi) = C(1 + 2A_2^{obs}\cos(2\Delta\phi))$.
5. Corrección de Fondo y Eficiencia:
   • La señal de $J/\psi$ coherente se aisla seleccionando candidatos de bajo momento transversal ($p_T < 0.2$ GeV), donde la contribución coherente predomina.
   • Las contribuciones de la producción incoherente y hadrónica se estiman extrapolando el espectro de $p_T$ desde regiones de alto $p_T$ (donde predominan los procesos hadrónicos) y se restan.
   • Las eficiencias de aceptación y reconstrucción del detector se corrigen utilizando simulaciones (STARLIGHT para coherente, PYTHIA para hadrónico) embebidas en eventos HYDJET, con factores de escala de datos-a-simulación aplicados.
   • La amplitud observada $A_2^{obs}$ se corrige por la resolución del plano de evento para obtener la amplitud de asimetría física $A_2$.

Resultados Clave
El análisis arroja una asimetría azimutal negativa estadísticamente significativa para los muones de mesones $J/\psi$ fotoproducidos coherentemente:

• Amplitud Medida: $A_2 = -0.194 \pm 0.022 \text{ (est)} \pm 0.018 \text{ (sist)}$.
• Significancia: El resultado se desvía de cero por más de cinco desviaciones estándar.
• Dependencia: Los valores de $A_2$ no muestran una dependencia significativa de la rapidez del $J/\psi$ ($1.6 < |y| < 2.4$) ni de la centralidad de la colisión (50–80%).
• Comparación Teórica: La amplitud negativa medida es consistente con modelos teóricos (Wu et al. y Shao et al.) que predicen que el $J/\psi$ hereda la polarización lineal del fotón incidente, la cual está correlacionada con el parámetro de impacto (y, por ende, con el plano de evento). El modelo de Wu et al., que tiene en cuenta la pérdida parcial de coherencia debido a los nucleones participantes, proporciona una buena descripción de los datos en todos los intervalos de centralidad y rapidez. En contraste, el modelo de Shao et al., basado en un modelo de saturación dependiente del parámetro de impacto, predice valores de $A_2$ negativos que surgen de la interferencia entre diferentes estados de helicidad del fotón; sin embargo, las amplitudes de modulación predichas son sistemáticamente mayores que las mediciones por un factor de aproximadamente dos.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma la primera observación de una modulación negativa en la asimetría azimutal de muones con espín-1/2 producidos en la desintegración de mesones vectoriales fotoproducidos coherentemente en colisiones de iones pesados. Este hallazgo, al combinarse con mediciones previas de modulación positiva para piones de espín-0 de desintegraciones de $\rho^0$, proporciona evidencia experimental directa de la dependencia del estado de espín en las asimetrías azimutales de los productos de desintegración de mesones vectoriales fotoproducidos coherentemente.

Además, el artículo sostiene que la correlación observada entre los productos de desintegración y el plano de evento de segundo orden demuestra que el plano de evento puede servir como un proxy experimental robusto para la dirección de polarización de los mesones fotoproducidos coherentemente en colisiones hadrónicas. A diferencia de los métodos que dependen de la interferencia cuántica, este enfoque es aplicable en un amplio rango de rapidez y a través de diferentes sistemas de colisión. El autor sugiere que esta correlación ofrece un enfoque novedoso para la determinación del plano de reacción que es en gran medida independiente de los efectos de no-flujo (nonflow) y de las fluctuaciones evento por evento, lo que potencialmente podría ser valioso para estudiar el comportamiento colectivo en sistemas de colisión más pequeños (por ejemplo, colisiones protón-núcleo).