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Probing the Collins effect at photon-photon colliders

Este artículo propone estudiar el efecto Collins en colisiones fotón-fotón que producen hadrones espalda con espalda en futuros colisionadores como el FCC y el LHC, prediciendo asimetrías azimutales considerables de hasta un 10–15% que podrían avanzar significativamente la comprensión de la fragmentación de quarks y distinguir entre los modelos existentes de la función de Collins.

Autores originales: Simone Anedda, Carlo Flore, Francesco Murgia, Cristian Pisano

Publicado 2026-10-27

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CC BY 4.0

Autores originales: Simone Anedda, Carlo Flore, Francesco Murgia, Cristian Pisano

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En el corazón de cada átomo, una danza caótica de partículas invisibles llamadas quarks y gluones mantiene unido al universo. Estas partículas poseen una propiedad conocida como "color", una carga que las vincula tan estrechamente que nunca pueden verse solas. Cuando las colisiones de alta energía fragmentan estas partículas, estas no simplemente desaparecen; deben transformarse en las partículas estables y sin color que realmente podemos detectar, como los protones y los piones. Este proceso de transformación, llamado hadronización, es uno de los rompecabezas más difíciles de la física moderna. Debido a que las fuerzas involucradas son demasiado complejas para calcularse desde principios fundamentales, los científicos dependen de mapas matemáticos llamados funciones de fragmentación para describir cómo un solo quark se convierte en una lluvia de materia detectable. Aunque los científicos han mapeado algunos de estos procesos, un aspecto específico conocido como el efecto Collins sigue siendo esquivo. Este efecto describe cómo un quark en rotación, cuando se fragmenta, tiende a proyectar sus partículas resultantes en una dirección lateral específica, creando una sutil inclinación en la lluvia. Comprender esta inclinación es crucial porque revela el espín oculto del quark y la intrincada mecánica de cómo la materia nace de la energía.

Un equipo de investigadores ha propuesto ahora una nueva forma de capturar este efecto esquivo en plena acción, utilizando un tipo de colisión cósmica diferente a las que se estudian habitualmente. En lugar de estrellar electrones contra protonos o colisionar iones pesados, sugieren observar las colisiones entre dos fotones, las partículas de luz. En este escenario, dos haces de luz, generados ya sea por electrones acelerados o por los campos electromagnéticos de núcleos pesados de plomo, chocan entre sí. Cuando estos fotones colisionan, pueden transformarse brevemente en un par de quarks que se mueven en direcciones opuestas. A medida que estos quarks se alejan, se fragmentan en pares de piones. Los investigadores calcularon que si los quarks originales estuvieran girando, los piones resultantes no se distribuirían uniformemente alrededor de la trayectoria de los jets; en su lugar, mostrarían un bamboleo distintivo, un patrón específico en sus ángulos que señala la presencia del efecto Collins.

El equipo realizó cálculos detallados para ver si este bamboleo sería lo suficientemente fuerte como para ser observado por futuros experimentos. Se centraron en dos entornos específicos donde tales colisiones fotón-fotón podrían observarse: el Futuro Colisionador Circular (Future Circular Collider), una máquina planificada que estrellaría electrones y positrones entre sí, y el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider), donde núcleos pesados de plomo pasan uno al lado del otro a velocidades increíbles sin llegar a tocarse. Al simular las colisiones que ocurrirían en estas máquinas, los investigadores encontraron que el bamboleo predicho es sorprendentemente grande. En ciertas condiciones, la asimetría en la distribución de los piones podría alcanzar niveles de entre el 10 y el 15 por ciento. Este es un signo significativo, lo suficientemente grande como para ser medido con los instrumentos de precisión previstos para estas instalaciones.

El estudio también exploró cómo diferentes modelos teóricos para el proceso de fragmentación afectarían los resultados. Los investigadores probaron sus predicciones frente a dos conjuntos principales de descripciones matemáticas sobre cómo los quarks se convierten en piones. Descubrieron que, en regiones específicas de los datos de la colisión, estos dos modelos predecían tamaños notablemente diferentes para el bamboleo. Esto significa que, si se realizan los experimentos, los datos podrían hacer más que solo confirmar que el efecto existe; podrían ayudar a los científicos a decidir qué teoría actual describe mejor la realidad. Los investigadores señalaron que, aunque los cálculos son robustos, se basan en simulaciones y estimaciones teóricas. La verdadera prueba vendrá cuando lleguen los datos reales de los colisionadores.

Lo que hace que esta propuesta sea particularmente valiosa es la perspectiva única que ofrece. Experimentos previos han estudiado efectos similares, pero a menudo involucran mezclas complejas de diferentes fuerzas que dificultan el aislamiento del comportamiento específico del espín del quark. En estas colisiones fotón-fotón, el entorno es mucho más limpio, dominado por las etapas finales de la interacción. Esta claridad podría permitir a los científicos separar las contribuciones de diferentes tipos de quarks, como los quarks up frente a los quarks down, con mucha mayor precisión que antes. Los investigadores enfatizan que su trabajo es una propuesta y un conjunto de predicciones, una hoja de ruta sobre qué buscar en lugar de un informe de un descubrimiento ya realizado. Sin embargo, la recompensa potencial es alta: confirmar estas mediciones proporcionaría una nueva e independiente forma de mapear las funciones de fragmentación, refinando nuestra comprensión de cómo los componentes fundamentales de la materia se ensamblan en el mundo visible. Si los próximos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones y el Futuro Colisionador Circular pueden capturar estos patrones, abrirán una nueva ventana a la mecánica de la fuerza fuerte, convirtiendo una posibilidad teórica en una observación concreta de cómo el espín moldea el nacimiento de la materia.

Problema y Motivación
La hadronización de quarks y gluones coloreados en hadrones incoloros sigue siendo un desafío no perturbativo en la Cromodinámica Cuántica (QCD), típicamente descrita por funciones de fragmentación (FF). Mientras que las Funciones de Fragmentación Dependientes del Momento Transversal (TMD) ofrecen información detallada sobre el momento transversal intrínseco de los hadrones finales, su extracción está actualmente limitada. En la Dispersión Inelástica Profunda Semi-Inclusiva (SIDIS), las FF se convolucionan con las Funciones de Distribución de Partones (PDF) TMD, lo que complica el análisis. Por el contrario, en la aniquilación semi-inclusiva $e^+e^-$ (SIA), donde solo intervienen las FF, los datos experimentales siguen siendo relativamente escasos. Además, las extracciones existentes de la función de Collins (que describe la fragmentación de un quark transversalmente polarizado en un hadrón no polarizado) están limitadas. Los autores proponen investigar el efecto Collins en colisiones fotón-fotón ( $\gamma\gamma \to h_1 h_2 X$ ) como un proceso complementario. Este canal ofrece una ventaja distinta: debido al cuarto exponente de la carga eléctrica fraccionaria en la sección eficaz, las contribuciones de los quarks $d, s, b$ están suprimidas por un factor de $1/16$ en relación con los quarks $u, c$ (comparado con $1/4$ en otros procesos), lo que potencialmente permite una separación de sabores más eficiente.

Metodología
Los autores proponen estudiar la producción de hadrones no polarizados casi espalda con espalda (específicamente piones cargados) en colisiones fotón-fotón cuasi-reales. Los fotones iniciales se generan mediante dos mecanismos:

Emisión de leptones en colisionadores $e^+e^-$ (específicamente el Futuro Colisionador Circular, FCC-ee).
Emisión coherente de núcleos pesados altamente cargados en Colisiones Ultra-Periféricas (UPC) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Marco Teórico:

Formalismo: El cálculo emplea el formalismo de helicidad asumiendo la factorización TMD, válida cuando existen dos escalas de energía distintas ( $q_T \ll Q$ ). La escala pequeña es el momento transversal de los hadrones respecto al eje de thrust del jet, mientras que la escala dura es el momento transversal del eje de thrust respecto al haz.
Derivación de la Sección Eficaz: Los autores derivan la sección eficaz diferencial invariante para $\ell^+\ell^- \to h_1 h_2 X$ y $N_1 N_2 \to h_1 h_2 X$ en el orden de un (leading order). El cálculo incorpora distribuciones de fotones de Weizsäcker-Williams (WW) tanto para leptones como para núcleos.
Observables: Los principales observables son las distribuciones azimutales de los hadrones alrededor del eje de thrust del jet. Los autores calculan la sección eficaz diferencial no polarizada y los momentos azimutales, específicamente $\langle d\sigma_{unp} | \cos \phi_{12} \rangle$ y el momento de la asimetría de espín longitudinal doble $\langle A_{LL} | \cos \phi_{12} \rangle$ .
Parametrizaciones: Las predicciones numéricas utilizan dos extracciones fenomenológicas recientes de las TMD FF:
1. TO-CA24 (Ref. [15]): Basada en ajustes globales de datos de SIDIS y $e^+e^-$ con un ansatz gaussiano específico para la dependencia de $p_\perp$ .
2. JAM3D-2022-nolat (Ref. [14]): Un ajuste global que incluye datos de SIDIS, $e^+e^-$ y asimetría de espín simple de $pp$ inclusivo (excluyendo entradas de QCD de red).

Resultados Clave
Los autores proporcionan estimaciones numéricas para configuraciones cinemáticas accesibles en el FCC-ee ( $\sqrt{s} = 92$ GeV) y el LHC ( $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV) para varios detectores (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb).

FCC-ee ( $e^+e^-$ ):
- La sección eficaz no polarizada disminuye con el aumento de $z_2$ (fracción de momento), variando desde $\mathcal{O}(100)$ nb hasta $\mathcal{O}(10^{-2})$ nb dependiendo de los cortes cinemáticos.
- El momento azimutal $\langle d\sigma_{unp} | \cos \phi_{12} \rangle$ se predice positivo para pares de piones de signo opuesto y negativo para pares de signo igual.
- Se estiman magnitudes entre 2–3% para pares de signo opuesto y 5–10% para pares de signo igual, pudiendo alcanzar un 10–20% en bins específicos de alto $z$ .
- La asimetría de espín longitudinal doble $\langle A_{LL} | \cos \phi_{12} \rangle$ (inducida por fotones polarizados) se predice del orden de unos pocos por ciento para TO-CA24 y hasta un 10% para JAM3D-2022-nolat, aunque con mayores incertidumbres.
- Se observan discrepancias entre las dos parametrizaciones, particularmente en la magnitud de la asimetría y las bandas de incertidumbre, siendo JAM3D-2022-nolat generalmente la que muestra mayores incertidumbres.
LHC (UPCs):
- En las UPC de iones pesados, solo contribuyen fotones no polarizados, por lo que solo se predice $\langle d\sigma_{unp} | \cos \phi_{12} \rangle$ .
- Las secciones eficaces son significativamente mayores (escala mb) debido al aumento de $Z^4$ , aunque varían según la cobertura de pseudirrapidez del detector.
- Las asimetrías azimutales se predicen considerables, alcanzando hasta un 10–15% en ciertas regiones cinemáticas.
- La parametrización TO-CA24 predice asimetrías que van del 5% al 10%, mientras que JAM3D-2022-nolat muestra predicciones más bajas para valores pequeños de $z_1$ pero converge a valores mayores de $z_1$ .
- Los autores señalan que las configuraciones de ALICE y LHCb, particularmente en los bins de $z_1$ más bajos, podrían potencialmente distinguir entre los dos modelos de extracción si se recolectan suficientes estadísticas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que las mediciones propuestas permitirían:

Arrojar luz sobre el mecanismo de fragmentación: Al proporcionar datos en un proceso donde solo están presentes las interacciones del estado final (similar a SIA pero con estados iniciales distintos), el estudio ofrece una sonda más limpia de las TMD FF.
Permitir la separación de sabores: El pesado de carga específico en colisiones $\gamma\gamma$ ofrece un control único para desentrañar las contribuciones de sabor ( $u, c$ frente a $d, s, b$ ) a las funciones de distribución de partones de quark TMD, lo cual es difícil en SIDIS o en la aniquilación estándar de $e^+e^-$ .
Discriminar entre modelos: Los autores sostienen que existen regiones cinemáticas donde las parametrizaciones TO-CA24 y JAM3D-2022 producen predicciones diferentes para las asimetrías. Medir estas regiones con suficiente precisión podría permitir la discriminación entre los modelos existentes de la función de Collins.
Complementar los datos existentes: Los resultados proporcionarían información complementaria en diferentes escalas de energía y combinaciones de sabores, ayudando a mejorar las extracciones fenomenológicas actuales.

Los autores mantienen un tono modesto respecto a las incertidumbres teóricas, señalando que no se ha implementado la evolución TMD completa (aunque se argumenta que es leve para las asimetrías) y que aún no se ha realizado una evaluación completa de las incertidumbres teóricas. Identifican este trabajo como un paso "primero y exploratorio", sugiriendo extensiones futuras a colisiones electrón-núcleo y otras especies de hadrones (kaones, bariones $\Lambda$ ).

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