Observation of $Υ$(1S) + Z associated production and measurement of the effective double-parton scattering cross section in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude rapporte la première observation de la production associée d' $\Upsilon$(1S) et d'un boson Z et mesure la section efficace de diffusion à double parton, incluant sa dépendance en quantité de mouvement transverse.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN comme le brise-particules le plus puissant du monde. Chaque seconde, il projette deux faisceaux de protons (de minuscules particules qui composent les atomes) l'un contre l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'ils entrent en collision, ils créent une explosion chaotique de nouvelles particules.

Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de comprendre exactement comment ces collisions se produisent. Habituellement, ils supposent que lorsque deux protons s'entrechoquent, il s'agit d'un combat « un contre un » : un morceau du premier proton frappe un morceau du second, et c'est tout. C'est ce qu'on appelle la diffusion de parton unique (SPS - Single-Parton Scattering).

Cependant, cet article suggère que parfois, c'est plutôt comme un double match. Dans une seule collision, deux paires distinctes de morceaux peuvent interagir au même moment. C'est ce qu'on appelle la diffusion de double parton (DPS - Double-Parton Scattering).

La grande découverte : capturer un « double rendez-vous » rare

L'équipe CMS (un groupe massif de scientifiques) a examiné 138 milliards de collisions (une quantité énorme de données) pour trouver un événement très spécifique et rare. Ils cherchaient une collision produisant simultanément deux objets lourds et distincts :

1. Un boson Z : une particule lourde qui agit comme un messager de la force nucléaire faible.
2. Un méson $\Upsilon$(1S) : une particule lourde composée d'un quark bottom et de son anti-particule (imaginez cela comme un atome très lourd et de courte durée de vie).

Trouver ces deux particules lourdes ensemble est comme trouver une paire de jumeaux très spécifique dans une foule de milliards de personnes. L'équipe a identifié avec succès 34,6 événements (avec une certitude statistique de plus de 5 sigmas, ce qui signifie qu'il s'agit presque certainement d'une découverte réelle et non d'un coup de chance).

Comment ils ont procédé : l'indice des « quatre muons »

Le boson Z et le méson $\Upsilon$(1S) sont tous deux instables ; ils se désintègrent instantanément. Cependant, ils ont tous deux l'habitude de se désintégrer en paires de muons (des cousins lourds des électrons).

• Le boson Z se divise en 2 muons.
• L'$\Upsilon$(1S) se divise en 2 muons.
• Total : 4 muons sortant de la collision.

Les scientifiques ont agi comme des détectives sur une scène de crime. Ils ont recherché ces quatre muons et ont vérifié s'ils provenaient tous exactement du même endroit (un sommet commun).

• La théorie du « un contre un » (SPS) : S'il s'agissait d'une collision standard, les quatre muons proviendraient naturellement du même point de collision unique.
• La théorie du « double rendez-vous » (DPS) : S'il s'agissait d'une double collision, le boson Z pourrait provenir d'un premier choc, et l'$\Upsilon$ d'un second choc complètement séparé se produisant juste à côté. Dans ce cas, les muons proviendraient de deux endroits différents.

En analysant les angles et les distances entre les muons, l'équipe a pu séparer les événements « un contre un » des événements « double rendez-vous ».

Les résultats : mesurer la « section efficace effective »

L'article calcule un nombre appelé $\sigma_{eff}$ (sigma-eff). Considérez cela comme une mesure de l'encombrement du proton.

• L'analogie : Imaginez que le proton est une piste de danse bondée.
  • Si les danseurs (partons) sont répartis uniformément, il est facile de trouver deux paires distinctes pour danser en même de temps.
  • Si les danseurs sont regroupés dans un groupe serré, il est plus difficile pour deux paires distinctes d'interagir sans se cogner les unes aux autres.

L'équipe a mesuré cet « encombrement » à 13,0 mb (millibarns). Ce nombre nous indique la probabilité que deux interactions distinctes se produisent lors d'un seul choc de protons.

Un nouveau niveau de détail

Ce qui rend cet article spécial, c'est qu'ils n'ont pas seulement donné un chiffre moyen. Ils ont mesuré cet « encombrement » dans différentes tranches basées sur la vitesse à laquelle les particules se déplacent (leur impulsion).

• Ils ont découvert qu'à mesure que le méson $\Upsilon$(1S) se déplace plus rapidement, la section efficace effective change.
• Cela suggère que la « piste de danse » n'est pas uniforme ; la disposition des danseurs change selon la force avec laquelle on les frappe.

Résumé

En termes simples, cet article est la première fois que des scientifiques observent avec succès la création simultanée d'un boson Z et d'un méson $\Upsilon$(1S) lors d'une collision de protons. En étudiant cet événement rare, ils ont confirmé que les « doubles collisions » (où deux paires de particules interagissent à la fois) se produisent plus souvent que prévu dans ce scénario spécifique. Ils ont utilisé cela pour cartographier la structure interne du proton, révélant comment ses composants minuscules sont disposés dans l'espace.

Point clé à retenir : Les protons ne sont pas de simples billes de billard ; ce sont des nuages complexes où plusieurs interactions peuvent se produire simultanément, et cet article fournit une nouvelle carte détaillée de la manière dont ces interactions se produisent.

Résumé technique

Résumé technique : Observation de la production associée $\Upsilon(1S) + Z$ et mesure de la section efficace effective de la diffusion à double parton (DPS)

Problématique et motivation
Le mécanisme de production des quarkonia lourds dans les collisions de hadrons reste un domaine où la compréhension théorique est incomplète, particulièrement en ce qui concerne l'hadronisation non perturbative des paires quark-antiquark lourds. Cette complexité augmente considérablement lorsque les quarkonia sont produits en association avec des bosons électrofaibles, tels que le boson $Z$. Dans ces processus, l'état final peut résulter de deux mécanismes distincts : la diffusion à parton unique (SPS - Single-Parton Scattering), où une seule paire de partons interagit, ou la diffusion à double parton (DPS - Double-Parton Scattering), où deux paires de partons indépendantes interagissent au sein de la même collision proton-proton.

La contribution du processus DPS est quantifiée par la section efficace de DPS effective, $\sigma_{\text{eff}}$, qui est liée à la distribution spatiale transverse des partons au sein du nucléon. Bien que les mesures expérimentales précédentes aient fourni des valeurs intégrées de $\sigma_{\text{eff}}$ pour divers processus, il existe un manque de données concernant la dépendance de $\sigma_{\text{eff}}$ vis-à-vis des variables cinématiques, telles que l'impulsion transverse ($p_T$). De plus, les modèles théoriques peinent à capturer pleinement l'interaction entre SPS et DPS dans les canaux de production associée. Cette étude aborde ces lacunes en étudiant la production associée d'un méson $\Upsilon(1S)$ et d'un boson $Z$ dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS au CERN LHC lors des périodes de fonctionnement 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Sélection d'événements : Le boson $Z$ et les mésons $\Upsilon(nS)$ ($n=1, 2, 3$) sont tous deux reconstruits via leurs désintégrations en paires de muons de signes opposés ($\mu^+\mu^-$). Le canal de signal nécessite quatre muons dans l'état final.

  • Candidats $\Upsilon$ : Les muons doivent satisfaire à des critères d'identification souples, $p_T > 3$ GeV, $|\eta| < 2,4$, et un invariant de masse compris entre 8,5 et 11 GeV.
  • Candidats $Z$ : Les muons doivent satisfaire à des critères d'identification stricts, avec des seuils de $p_T$ pour le muon de tête et le second muon de respectivement 30 et 15 GeV, $|\eta| < 2,4$, et un invariant de masse compris entre 66 et 116 GeV.
  • Vertexing : Une exigence cruciale est que les quatre muons doivent provenir d'un sommet commun avec une probabilité d'ajustement (fit) $>1\%$. Cela supprime le bruit de fond provenant des interactions de pileup où l' $\Upsilon$ et le $Z$ proviennent de collisions indépendantes.
  • Isolation : Les muons doivent être isolés de l'activité hadronique, avec des ratios d'isolation ($I$) spécifiques appliqués selon qu'ils appartiennent au candidat $\Upsilon$ ou au candidat $Z$.

• Normalisation : Pour réduire les incertitudes systématiques, la section efficace du signal est normalisée à la section efficace fiduciale de la production $Z \to 4\mu$. Ce canal de normalisation utilise des critères de sélection similaires mais ne nécessite pas de sommet commun pour les quatre muons, car le bruit de fond provenant de sommets indépendants dans cette fenêtre de masse est négligeable.

• Analyse statistique :

  • Extraction du signal : Un ajustement (fit) non étendu par maximum de vraisemblance est effectué en deux dimensions (masses invariantes des candidats $\Upsilon$ et $Z$). Les formes du signal sont modélisées par des fonctions Voigtienne et Gaussienne, tandis que les bruits de fond sont décrits par des fonctions exponentielles.
  • Séparation SPS vs DPS : La technique $sPlot$ est utilisée pour extraire les poids des événements de signal. Ces poids sont appliqués aux distributions de la différence de rapidité ($\Delta y$) et de la différence d'angle azimutal ($\Delta \phi$) entre les candidats $\Upsilon(1S)$ et $Z$. Un ajustement de modèle (template fit) 2D utilisant l'estimation de densité par noyau (dérivée de la simulation) sépare les contributions SPS et DPS.

Contributions clés et résultats

1. Observation de $Z + \Upsilon(1S)$ : L'analyse observe $34,6 \pm 9,0$ événements de production $Z + \Upsilon(1S)$. La signification statistique de ce signal, par rapport à l'hypothèse de bruit de fond seul, est de 5,3 écarts-types, constituant la première observation de ce canal de production associée. Les signaux pour $Z + \Upsilon(2S)$ et $Z + \Upsilon(3S)$ ont présenté des significances inférieures à 3 écarts-types.
2. Rapport de section efficace fiduciale : Le rapport des sections efficaces fiduciales est mesuré comme suit :
   $$R_{Z+\Upsilon(1S)} = \frac{\sigma(pp \to Z + \Upsilon(1S)) \mathcal{B}(Z \to \mu^+\mu^-) \mathcal{B}(\Upsilon(1S) \to \mu^+\mu^-)}{\sigma(pp \to Z) \mathcal{B}(Z \to 4\mu)} = (21,1 \pm 5,5 \text{ (stat)} \pm 0,6 \text{ (syst)}) \times 10^{-3}$$
3. Fraction DPS et $\sigma_{\text{eff}}$ : L'ajustement des distributions $\Delta y$ et $\Delta \phi$ produit une fraction DPS de $f_{\text{DPS}} = 0,95 \pm 0,25$. Par conséquent, le rendement DPS est déterminé à $32,9 \pm 8,7$ événements. En utilisant ce rendement et le rapport mesuré, la section efficace effective de la diffusion à double parton est extraite :
   $$\sigma_{\text{eff}} = 13,0^{+7,7}_{-3,4} \text{ mb}$$
   Cette valeur est cohérente avec les mesures précédentes de $\sigma_{\text{eff}}$ issues de la double production de quarkonia et d'autres processus multi-jets.
4. Mesure différentielle : Pour la première fois, $\sigma_{\text{eff}}$ est mesurée dans des intervalles (bins) de l'impulsion transverse ($p_T$) du méson $\Upsilon(1S)$ et du boson $Z$. Les résultats ne montrent aucune déviation significative par rapport à la valeur inclusive dans l'intervalle des grandes incertitudes statistiques, bien que la tendance suggère une potentielle diminution de $\sigma_{\text{eff}}$ avec l'augmentation du $p_T$ de l' $\Upsilon(1S)$, ce qui est cohérent avec l'attente que les quarkonia à $p_T$ élevé proviennent de partons plus proches du cœur du proton.

Signification
L'article rapporte la première observation de la production associée $\Upsilon(1S) + Z$ dans les collisions proton-proton. En séparant avec succès les composantes SPS et DPS, l'étude fournit une mesure de $\sigma_{\text{eff}}$ dans un nouveau régime cinématique impliquant un état de quarkonium lourd et un boson électrofaible. La principale signification réside dans la toute première mesure différentielle de $\sigma_{\text{eff}}$ en fonction du $p_T$ pour ces particules spécifiques. Ces mesures par intervalles offrent de nouvelles contraintes pour les modèles théoriques des fonctions de distribution de double parton et la structure transverse du proton, répondant ainsi à la limitation des études précédentes qui ne fournissaient que des mesures intégrées sur l'espace de phase complet. Le résultat est cohérent avec l'interprétation géométrique de $\sigma_{\text{eff}}$ et soutient la validité de l'utilisation de ce paramètre pour quantifier les contributions de DPS dans les états finaux complexes.