Correlations between $\ensuremath{\mit{\Upsilon}(n\text{S})}\xspace$ production and the underlying event in $\ensuremath{p\!p}\xspace$ collisions with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Correlaciones entre la producción de $\Upsilon(nS)$ y el evento subyacente en colisiones $pp$

Planteamiento del problema
Observaciones recientes en el LHC y el RHIC sugieren que los sistemas de colisión pequeños, como las colisiones protón-protón ($pp$), pueden exhibir firmas similares al plasma de quarks y gluones (QGP), típicamente asociado con sistemas grandes. Aunque se han observado firmas similares al QGP en el sector blando (soft), existen restricciones sobre la pérdida de energía partónica en el sector duro (hard). Una cuestión crítica abierta involucra la interacción entre los procesos de dispersión dura y la dinámica de la QCD blanda, específicamente las correlaciones entre la producción de partículas duras y blandas. Mediciones previas realizadas por la Colaboración CMS indicaron una disminución en la producción relativa de los estados excitados de $\Upsilon(nS)$ con el aumento de la multiplicidad de partículas cargadas. Este artículo aborda la perspectiva inversa: utilizar el estado $\Upsilon(nS)$ como una sonda dura para caracterizar la actividad de partículas cargadas acompañante (el evento subyacente, o UE) y determinar si la formación de diferentes estados de bosones de bottomonia se correlaciona con entornos hadrónicos blandos distintos.

Metodología
El análisis utiliza el conjunto completo de datos de la Fase 2 (Run 2) de $pp$ recolectados por el detector ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 139 fb$^{-1}$. Se excluyeron los eventos con un promedio de 50 o más interacciones simultáneas, lo que resultó en un promedio de pile-up de aproximadamente 33.7.

• Selección de eventos: Los candidatos a $\Upsilon(nS)$ fueron reconstruidos mediante el canal de decaimiento dimuón ($\Upsilon \to \mu^+\mu^-$). Se requirió que los muones tuvieran $p_T > 4$ GeV y $|\eta| < 2.4$. Se seleccionaron pares de muones con cargas opuestas dentro de un rango de masa invariante de $8.2 < m_{\mu\mu} < 11.8$ GeV y $|y_{\mu\mu}| < 1.6$.
• Selección de partículas cargadas: Las partículas cargadas primarias se seleccionaron con $0.5 < p_T < 10$ GeV y $|\eta| < 2.5$. Se requirió que las trazas estuvieran dentro de 0.5 mm (transversalmente) y 0.75 mm (longitudinalmente) del vértice primario. Las trazas de los muones que forman el candidato a $\Upsilon$ se excluyeron de las observables de partículas cargadas.
• Extracción de la señal: Debido al solapamiento de los tres picos de $\Upsilon(nS)$ y el fondo suave de dimuones, el análisis midió las distribuciones de partículas cargadas en cinco intervalos de masa (tres regiones de señal y dos de fondo/sidebands). Se realizó un ajuste en cada intervalo de $p_T^{\mu\mu}$ utilizando tres componentes de señal (modelados por funciones Crystal Ball y Gaussianas) y un fondo de polinomio de tercer grado.
• Correcciones: La aceptación del detector, la reconstrucción y las eficiencias de disparo (trigger) se corrigieron mediante simulación (Pythia 8 con sintonía A14 y PDFs CTEQ6L1) y factores de escala derivados de datos. Las contribuciones de pile-up se estimaron y restaron utilizando un procedimiento desarrollado para las mediciones de UE con etiquetas de $Z$ de ATLAS.

Contribuciones clave y resultados
El estudio midió la multiplicidad, el momento transversal ($p_T$) y la separación azimutal ($\Delta\phi$) de las partículas cargadas asociadas con los mesones $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ como una función del momento transversal del $\Upsilon$ ($p_T^{\mu\mu}$).

1. Jerarquía de multiplicidad: Se observó una jerarquía distintiva en la actividad de partículas cargadas. En el intervalo de $p_T^{\mu\mu}$ más bajo medido, los eventos que contienen mesones $\Upsilon(1S)$ exhibieron una multiplicidad media de partículas cargadas de $29.5 \pm 0.7$. En contraste, los eventos de $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ mostraron multiplicidades sistemáticamente menores, reducidas en $3.6 \pm 0.4$ y $4.9 \pm 1.1$ partículas, respectivamente. Esto corresponde a reducciones relativas de $12 \pm 1\%$ y $17 \pm 4\%$ en comparación con la muestra de $\Upsilon(1S)$.
2. Dependencia de $p_T$: La diferencia en la multiplicidad entre el estado fundamental ($\Upsilon(1S)$) y los estados excitados ($\Upsilon(2S)$, $\Upsilon(3S)$) disminuye a medida que $p_T^{\mu\mu}$ aumenta, pero permanece positiva en todo el rango medido.
3. Distribuciones cinemáticas: Las distribuciones de momento transversal y azimutal restadas indican que las diferencias observadas no son impulsadas únicamente por la actividad de chorros (jets) que compensa el momento del $\Upsilon$. Las distribuciones de $\Delta\phi$ restadas permanecen positivas alrededor de $\Delta\phi = \pm\pi/2$, lo que sugiere un componente blando sustancial en las diferencias entre los estados.
4. Comparación con modelos: Las predicciones de Pythia 8, tanto con como sin contribuciones de feed-down de estados de bottomonia superiores (por ejemplo, decaimientos de $\chi_b$), no lograron reproducir la jerarquía observada. El modelo predijo multiplicidades muy similares para los tres estados. Variar el esquema de reconexión de color tampoco logró resolver la discrepancia.

Significancia
El artículo afirma que la jerarquía de multiplicidad observada proporciona una fuerte restricción sobre el modelado de la producción de bottomonia y su correlación con la actividad del evento blando circundante. Específicamente, los datos indican que los eventos que producen estados excitados de bottomonia están acompañados de una actividad de partículas cargadas sistemáticamente menor que aquellos que producen estados fundamentales, siendo el efecto más pronunciado a bajo $p_T^{\mu\mu}$.

El autor concluye que la dependencia del estado observada en la actividad de partículas cargadas, particularmente en bajo momento transversal, motiva estudios adicionales sobre la relación entre la producción de bottomonia y el entorno hadrónico en colisiones $pp$ de alta multiplicidad. Los resultados desafían a los modelos de Monte Carlo existentes (específicamente Pythia 8) para describir mejor la interacción entre la formación de quarkonia y la dinámica de la QCD blanda.