Measurement of the $Υ$(1S), $Υ$(2S), and $Υ$(3S) differential cross sections in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

L'expérience CMS a mesuré les sections efficaces de production différentielles des mésons $\Upsilon$(1S), $\Upsilon$(2S) et $\Upsilon$(3S) dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13,6 TeV en utilisant 37,4 fb$^{-1}$ de données de 2022, en analysant leur désintégration en paires de muons à travers des intervalles spécifiques d'impulsion transverse et de rapidité.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN comme la piste de course la plus puissante du monde, essentiellement un immense circuit où des protons (de minuscules particules subatomiques) sont projetés les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsque ces protons entrent en collision, ils créent une explosion d'énergie chaotique qui forme brièvement de nouvelles particules exotiques avant de se désintégrer instantanément en autre chose.

Ce document est un rapport détaillé, une sorte de bulletin de notes, de l'expérience CMS, l'un des gigantesques détecteurs installés sur cette piste. L'équipe étudie une famille spécifique de ces particules exotiques appelée bottomonium (plus précisément les états $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$).

Voici une décomposition de ce qu'ils ont fait et trouvé, en utilisant des analogies simples :

1. Les « poids lourds » du monde des particules

Considérez les particules de l'univers comme une famille d'instruments de musique. Certaines sont légères et rapides (comme une flûte), tandis que d'autres sont lourdes et lentes (comme un tuba).

• Le bottomonium est composé d'un quark « beauté » et de son antiparticule. Ce sont les « tubas » du monde des particules — lourds et lents à se déplacer.
• L'article se concentre sur trois notes spécifiques de cette famille : le $\Upsilon(1S)$ (la note la plus basse et la plus profonde), le $\Upsilon(2S)$ (une note légèrement plus haute) et le $\Upsilon(3S)$ (une note encore plus haute).
• Les scientifiques veulent savoir exactement à quelle fréquence ces « tubas » sont créés lorsque les protons s'entrechoquent.

2. L'expérience : Une séance photo à haute vitesse

Les chercheurs ont utilisé des données collectées en 2022 lors de collisions dont l'énergie était de 13,6 TeV (une quantité d'énergie massive, comme un moustique frappant un pare-brise, mais à l'échelle atomique).

• Les données : Ils ont analysé une quantité énorme de données, équivalente à 37,4 « femtobarns inverses » de collisions. Pour utiliser une analogie, si un femtobarn est un minuscule grain de sable, ils ont analysé une montagne de grains pour trouver ces particules rares.
• La détection : Ces particules lourdes ne durent pas ; elles se désintègrent instantanément en deux muons (des particules similaires aux électrons, mais beaucoup plus lourdes). Le détecteur CMS est comme un appareil photo à haute vitesse qui prend des clichés de ces deux muons s'envolant. En mesurant leur vitesse et leur trajectoire, les scientifiques peuvent reconstruire la particule « parente » qui a créé ces muons.

3. La mesure : Compter les notes

L'objectif principal était de mesurer la section efficace de production. Dans le langage courant, c'est une façon sophistiquée de demander : « Quelle est la probabilité que nous créions l'une de ces particules ? »

Ils ont mesuré cela de deux manières :

• La vitesse (impulsion transverse, $p_T$) : À quel point la particule a-t-elle été projetée sur le côté ? Ils ont observé des particules se déplaçant à des vitesses allant de 20 à 200 GeV (une plage très large).
• L'angle (rapidité, $y$) : La particule a-t-elle jailli directement du point de collision, ou a-t-elle été projetée selon un certain angle ? Ils ont examiné deux « zones » d'angles spécifiques.

Le résultat : Ils ont réussi à compter combien de ces particules ont été créées dans chaque catégorie de vitesse et d'angle. Ils ont constaté que :

• Plus la particule est lourde (plus la « note » est haute), moins elle est produite.
• Plus elle est projetée rapidement sur le côté, moins elle est produite (ce qui est logique ; il est plus difficile de projeter un objet lourd très vite).
• Les résultats pour les deux zones d'angles différentes étaient presque identiques.

4. Pourquoi est-ce important : Le « livre de recettes »

L'article explique que notre compréhension actuelle de la formation de ces particules repose sur une théorie appelée NRQCD (Chromodynamique Quantique Non-Relativiste). Considérez cette théorie comme un livre de recettes pour fabriquer la matière.

• La recette contient des ingrédients appelés Éléments de Matrice à Longue Distance (LDME). Ce sont comme des « épices secrètes » dans la recette. Nous savons que la recette existe, mais nous ne connaons pas la quantité exacte d'épice nécessaire car nous ne pouvons pas la calculer par le calcul mathique seul.
• Pour déterminer la bonne quantité d'« épice », les scientifiques doivent observer des données réelles (comme celles de cet article) et dire : « D'accord, si nous utilisons cette quantité d'épice, la recette prédit exactement ce que nous voyons dans le détecteur ».
• La contribution de l'article : En mesurant ces particules à une énergie plus élevée (13,6 TeV) et à des vitesses plus élevées (jusqu'à 200 GeV) que jamais auparavant, cet article fournit de nouvelles contraintes plus strictes pour le livre de recettes. Il dit aux théoriciens : « Votre recette actuelle fonctionne assez bien, mais si vous ajustez ces chiffres spécifiques, elle correspondra parfaitement à nos nouvelles données à haute vitesse ».

5. L'effet de « feed-down » (désintégration descendante)

Un détail intéressant mentionné dans l'article est le « feed-down ».

• Imaginez que vous comptez le nombre de particules $\Upsilon(1S)$ (la note la plus basse) produites.
• Cependant, certains des $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ (les notes plus hautes) sont instables et se désintègrent rapidement en $\Upsilon(1S)$.
• Ainsi, lorsque le détecteur voit un $\Upsilon(1S)$, il peut avoir été créé directement, ou il peut être le « petit-enfant » d'une particule plus lourde. L'article inclut tous ces cas dans son décompte, afin de garantir que l'image globale soit complète.

Résumé

En bref, l'équipe du CMS a pris un cliché massif de collisions de protons à des vitesses records. Ils ont compté combien de particules « beauté » lourdes étaient créées à différentes vitesses et angles. Ils ont constaté que les « livres de recettes » théoriques actuels suivent généralement les bonnes tendances, mais que ces nouvelles données de haute précision aideront les scientifiques à affiner les recettes pour mieux comprendre les forces fondamentales de la nature.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des sections efficaces différentielles des $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ dans les collisions $pp$à$\sqrt{s} = 13,6$ TeV

Problématique et contexte
La production d'états de quarkonium lourds, spécifiquement le bottomonium ($\Upsilon(nS)$), sert de sonde critique pour comprendre la formation des hadrons dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD). La description théorique prédominante, la QCD non-relativiste (NRQCD), postule que la production de quarkonium implique une factorisation des effets de courte distance (calculables via la QCD perturbative) et des effets de longue distance (paramétrés par des éléments de matrice de longue distance, ou LDME). Bien que les coefficients de courte distance soient calculés jusqu'à l'ordre suivant (NLO), les LDME doivent être extraits de ajustements globaux aux données expérimentales. Un défi important dans ce domaine est la dépendance des LDME extraits vis-à-vis des jeux de données spécifiques, des seuils cinématiques et de l'inclusion des mesures de polarisation. Les mesures précédentes par la collaboration CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV ont établi une base de référence, mais l'extension de la portée cinématique vers des impulsions transverses ($p_T$) plus élevées et l'utilisation de l'énergie de collision plus élevée de 13,6 TeV sont nécessaires pour fournir des contraintes plus strictes sur ces paramètres phénoménologiques.

Méthodologie
Cette analyse utilise un jeu de données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS en 2022 à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13,6$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de $37,4 \text{ fb}^{-1}$. La mesure se concentre sur les canaux de désintégration dimuon ($\Upsilon(nS) \to \mu^+\mu^-$) pour l'état fondamental $\Upsilon(1S)$ et les états excités $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés via un système de déclenchement (trigger) à deux niveaux. Le déclencheur de niveau 1 (L1) exige au moins deux muons de signes opposés avec $p_T > 4,5$ GeV et une masse dimuon $m_{\mu\mu} > 7$ GeV. Le déclencheur de haut niveau (HLT) affine davantage cette sélection à $8,5 < m_{\mu\mu} < 11,5$ GeV, $p_T > 9,9$ GeV et $|y| < 1,4$. La sélection hors ligne exige des muons avec $p_T > 10$ GeV et $|\eta| < 1,4$, avec une probabilité de ajustement de vertex dimuon $> 1\%$.
• Extraction des rendements : Les rendements du signal, $N(p_T, |y|)$, sont extraits dans des compartiments (bins) bidimensionnels de l'impulsion transverse ($20 \le p_T \le 200$ GeV) et de la rapidité ($|y| < 0,6$ et $0,6 < |y| < 1,2$). Cela est réalisé par un ajustement de maximum de vraisemblance étendu sur le spectre de masse invariante dimuon. Le modèle de signal comprend trois résonances, chacune décrite par une somme de deux fonctions Crystal Ball, tandis que le fond est modélisé par un polynôme de second degré. Les paramètres de forme des résonances sont contraints en utilisant les valeurs de masse moyennes mondiales et des relations d'échelle dérivées de la simulation.
• Efficacité et acceptation : Les sections efficaces différentielles sont calculées en utilisant la formule :
  $$\mathcal{B} \frac{d^2\sigma}{dy dp_T} = \frac{N(p_T, |y|)}{\mathcal{L} \Delta y \Delta p_T} \frac{1}{\epsilon(p_T, |y|)} \frac{1}{A(p_T, |y|)}$$
  où $\mathcal{L}$ est la luminosité intégrée. L'acceptance $A(p_T, |y|)$ est déterminée via une simulation Monte Carlo (PYTHIA 8.306 avec le réglage CP5 et les PDF NNPDF3.1 NNLO), en supposant une production non polarisée. L'efficacité de détection $\epsilon(p_T, |y|)$ est mesurée en utilisant la méthode tag-and-probe sur les données, tenant compte des efficacités de déclenchement, de reconstruction et d'identification, ainsi que d'une correction pour les inefficacités de déclencheur de paires de muons lorsque les traces sont proches dans l'espace des phases.
• Incertitudes systématiques : Les sources majeures incluent la mesure de la luminosité (1,4 %), l'extraction du rendement du signal (variations des modèles d'ajustement pour le signal et le fond), la modélisation de l'acceptance (repondération des distributions simulées) et les incertitudes d'efficacité (propagées à partir des études de tag-and-probe et d'émulation du déclencheur de paires de muons).

Contributions clés et résultats
L'article rapporte la première mesure des sections efficaces différentielles de $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.

• Portée cinématique : L'analyse étend la couverture en $p_T$ par rapport au résultat précédent de CMS à 13 TeV (qui s'arrêtait à 100 GeV) jusqu'à 200 GeV.
• Sections efficaces : Les sections efficaces mesurées, multipliées par les fractions de branchement dimuon, sont fournies pour le scénario non polarisé. Les résultats incluent les contributions de feed-down des états de bottomonium plus lourds.
• Rapports : Les rapports des états excités par rapport à l'état fondamental ($\Upsilon(2S)/\Upsilon(1S)$ et $\Upsilon(3S)/\Upsilon(1S)$) sont présentés. Ces rapports semblent atteindre un plateau pour $p_T \gtrsim 55$ GeV.
• Comparaison avec la théorie : Les sections efficaces mesurées sont comparées aux prédictions NRQCD incluant le feed-down des bottomonia de type S et P. Les prédictions décrivent raisonnablement bien les tendances générales des données.
• Mise à l'échelle de l'énergie : Les rapports des sections efficaces de $\Upsilon(1S)$ entre la mesure à 13,6 TeV et les mesures précédentes à 7 et 13 TeV sont fournis, montrant une cohérence au sein des incertitudes.

Signification
Les auteurs affirment que ces résultats constituent une contribution importante pour les ajustements globaux des sections efficaces et des polarisations de quarkonium. En fournissant des mesures différentielles précises sur une large plage de $p_T$ à une nouvelle énergie de collision, les données aident à contraindre les éléments de matrice de longue distance (LDME) qui déterminent la production inclusive de quarkonium dans le cadre de la NRQCD. L'article souligne que, bien que la comparaison spécifique aux courbes NRQCD soit illustrative, les nouvelles mesures fournissent les contraintes nécessaires pour des analyses phénoménologiques améliorées. Les résultats sont mis à disposition dans le registre HEPData pour faciliter de nouveaux développements théoriques.