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

En utilisant 139 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, l'expérience ATLAS étudie les corrélations entre la production d' $\Upsilon(n\text{S})$ dur et l'événement sous-jacent, révélant que les multiplicités de particules chargées associées sont systématiquement plus faibles pour les états excités $\Upsilon$ (2S) et $\Upsilon$ (3S) par rapport à l'état fondamental à faible impulsion transverse, cette différence diminuant à mesure que l'impulsion augmente.

Auteur original : Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

Publié 2026-11-11

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CC BY 4.0

Auteur original : Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par l'auteur. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Au cœur de l'univers, la matière est construite à partir de minuscules particules fondamentales qui se déplacent à des vitesses incroyables. Lorsque les scientifiques fracassent des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière, ils créent un jaillissement chaotique d'énergie où ces particules se dispersent et interagissent. Parfois, cette collision est si violente qu'elle crée brièvement une soupe chaude et dense de quarks et de gluons en mouvement libre, les blocs de construction des protons et des neutrons. Cet état de la matière, connu sous le nom de plasma quark-gluon, était autrefois considéré comme n'existant que dans les collisions massives de noyaux atomiques lourds, comme l'or ou le plomb. Cependant, des observations récentes suggèrent que même dans les collisions plus petites entre des protons uniques, des indices de cette soupe exotique pourraient apparaître. Pour comprendre comment cela se produit, les physiciens étudient « l'événement sous-jacent », qui est le bavardage de fond des particules produites parallèlement à la collision principale. En observant comment ces particules de fond se comportent lorsqu'une particule lourde spécifique est créée, les chercheurs peuvent apprendre comment le cœur violent d'une collision influence les environs plus calmes.

Un chercheur utilisant le détecteur ATLAS du Grand Collisionneur de Hadrons a examiné ce problème sous un nouvel angle en se concentrant sur une famille spécifique de particules lourdes appelée bottomonium. Ces particules sont composées d'un quark bottom et de son partenaire d'antimatière, et elles existent en trois versions distinctes qui diffèrent par leur masse et la force de leur liaison. Le scientifique a examiné près de 140 billions de collisions de protons à un niveau d'énergie de 13 billions d'électron volts. Il a identifié les événements où une particule de bottomonium était créée, puis a soigneusement compté le nombre d'autres particules chargées apparues lors de la même collision. Il a procédé séparément pour les trois versions différentes de la particule de bottomonium, traitant chacune comme une étiquette unique pour voir si l'environnement environnant changeait en fonction de la version formée.

Les résultats ont révélé un schéma clair et surprenant. Lorsque la version la plus légère et la plus stable de la particule de bottomonium était créée, la collision produisait un nombre significativement plus élevé de particules chargées accompagnatrices. En revanche, lorsque les versions plus lourdes et excitées étaient formées, le nombre de particules environnantes chutait de manière notable. Dans les collisions présentant la plus faible impulsion, les événements produisant la version la plus lourde comptaient environ 17 % de particules chargées en moins que ceux produisant la version la plus légère. Cette différence n'était pas aléatoire ; c'était une tendance constante qui se vérifiait à travers les données. À mesure que l'impulsion de la particule de bottomonium augmentait, l'écart entre les différentes versions se réduisait, mais les versions plus lourdes produisaient toujours moins de particules de fond que la version la plus légère.

Cette découverte remet en question les modèles actuels que les physiciens utilisent pour simuler ces collisions. Le chercheur a comparé ses données réelles avec les prédictions d'un programme de simulation informatique largement utilisé. La simulation suggérait que les trois versions du bottomonium devraient être accompagnées d'environ le même nombre de particules de fond, indépendamment de leur masse ou de leur énergie. La simulation n'a pas réussi à reproduire la hiérarchie observée par le scientifique. Même lorsque le chercheur a ajusté la simulation pour tenir compte de différentes manières dont les particules pourraient se reconnecter ou se désintégrer, la divergence persistait. Cela indique que notre compréhension actuelle de la façon dont les particules lourdes se forment et interagissent avec l'environnement est incomplète.

L'étude a également examiné la distribution de ces particules dans l'espace par rapport à la collision principale. La différence dans le nombre de particules n'était pas seulement le résultat d'un équilibre entre les particules principales formant un jet de particules. Au lieu de cela, les particules manquantes semblaient provenir du fond plus mou et plus diffus de l'événement. Cela suggère que la formation des états de bottomonium plus lourds et excités supprime d'une certaine manière la production d'autres particules dans la zone environnante. Le chercheur conclut que la manière dont ces particules lourdes naissent est intimement liée à l'activité de l'ensemble de la collision, et que l'état spécifique de la particule lourde agit comme une sonde sensible des forces complexes en jeu. Ces mesures constituent un test nouveau et strict pour les théories décrivant le comportement de la matière dans ces conditions extrêmes, pointant vers une connexion plus profonde entre la création de particules lourdes et la dynamique douce et sous-jacente de la collision.

Résumé technique : Corrélations entre la production de $\Upsilon(nS)$ et l'événement sous-jacent dans les collisions $pp$

Énoncé du problème
Des observations récentes au LHC et au RHIC suggèrent que les petits systèmes de collision, tels que les collisions proton-proton ($pp$), peuvent présenter des signatures similaires au plasma de quarks et de gluons (QGP) typiquement associé aux systèmes de grande taille. Bien que des signatures de type QGP aient été notées dans le secteur mou (soft), les contraintes sur la perte d'énergie partonique dans le secteur dur (hard) restent à définir. Une question critique ouverte concerne l'interaction entre les processus de diffusion dure et la dynamique de la QCD molle, spécifiquement les corrélations entre la production de particules dures et molles. Des mesures antérieures réalisées par la Collaboration CMS ont indiqué une diminution de la production relative des états excités $\Upsilon(nS)$ avec l'augmentation de la multiplicité de particules chargées. Ce document traite de la perspective inverse : utiliser l'état $\Upsilon(nS)$ comme une sonde dure pour caractériser l'activité de particules chargées accompagnatrice (l'événement sous-jacent, ou UE) et déterminer si la formation de différents états de bottomonium est corrélée à des environnements hadroniques mous distincts.

Méthodologie
L'analyse utilise l'ensemble complet de données Run 2 $pp$ collectées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 139 fb $^{-1}$ . Les événements présentant une moyenne de 50 interactions simultanées ou plus ont été exclus, ce qui résulte en un pile-up moyen d'environ 33,7.

Sélection des événements : Les candidats $\Upsilon(nS)$ ont été reconstruits via le canal de désintégration dimuon ( $\Upsilon \to \mu^+\mu^-$ ). Les muons devaient avoir un $p_T > 4$ GeV et $|\eta| < 2,4$ . Des paires de muons de charges opposées ont été sélectionnées dans une plage de masse invariante de $8,2 < m_{\mu\mu} < 11,8$ GeV et $|y_{\mu\mu}| < 1,6$ .
Sélection des particules chargées : Les particules chargées primaires ont été sélectionnées avec $0,5 < p_T < 10$ GeV et $|\eta| < 2,5$ . Les traces devaient se trouver à moins de 0,5 mm (transversalement) et 0,75 mm (longitudinalement) du sommet primaire. Les traces de muons formant le candidat $\Upsilon$ ont été exclues des observables de particules chargées.
Extraction du signal : En raison du chevauchement des trois pics $\Upsilon(nS)$ et du fond dimuon lisse, l'analyse a mesuré les distributions de particules chargées dans cinq intervalles de masse (trois régions de signal et deux bandes latérales/sidebands). Un ajustement a été effectué dans chaque intervalle de $p_T^{\mu\mu}$ en utilisant trois composantes de signal (modélisées par des fonctions Crystal Ball et Gaussiennes) et un fond polynomial de troisième degré.
Corrections : L'acceptation du détecteur, ainsi que les efficacités de reconstruction et de déclenchement, ont été corrigées par simulation (Pythia 8 avec un réglage A14 et des PDF CTEQ6L1) et par des facteurs d'échelle dérivés des données. Les contributions du pile-up ont été estimées et soustraites en utilisant une procédure développée pour les mesures de l'UE par marquage $Z$ d'ATLAS.

Contributions clés et résultats
L'étude a mesuré la multiplicité, l'impulsion transverse ( $p_T$ ) et la séparation azimutale ( $\Delta\phi$ ) des particules chargées associées aux mésons $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ en fonction de l'impulsion transverse de l' $\Upsilon$ ( $p_T^{\mu\mu}$ ).

Hiérarchie de multiplicité : Une hiérarchie distincte dans l'activité des particules chargées a été observée. Dans l'intervalle de $p_T^{\mu\mu}$ le plus bas mesuré, les événements contenant des mésons $\Upsilon(1S)$ présentaient une multiplicité moyenne de particules chargées de $29,5 \pm 0,7$ . En revanche, les événements $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ présentaient des multiplicités systématiquement plus faibles, réduites de $3,6 \pm 0,4$ et $4,9 \pm 1,1$ particules, respectivement. Cela correspond à des réductions relatives de $12 \pm 1\%$ et $17 \pm 4\%$ par rapport à l'échantillon $\Upsilon(1S)$ .
Dépendance en $p_T$ : La différence de multiplicité entre l'état fondamental ( $\Upsilon(1S)$ ) et les états excités ( $\Upsilon(2S)$ , $\Upsilon(3S)$ ) diminue à mesure que $p_T^{\mu\mu}$ augmente, mais reste positive sur toute la plage mesurée.
Distributions cinématiques : Les distributions de quantité de mouvement transverse et d'angle azimutal après soustraction indiquent que les différences observées ne sont pas uniquement pilotées par l'activité de jet équilibrant l'impulsion de l' $\Upsilon$ . Les distributions de $\Delta\phi$ après soustraction restent positives autour de $\Delta\phi = \pm\pi/2$ , suggérant une composante molle substantielle dans les différences entre les états.
Comparaison avec les modèles : Les prédictions de Pythia 8, avec et sans contributions de rétroaction (feed-down) provenant d'états de bottomonium supérieurs (par exemple, les désintégrations de $\chi_b$ ), n'ont pas réussi à reproduire la hiérarchie observée. Le modèle prédisait des multiplicités très similaires pour les trois états. La variation du schéma de reconnexion de couleur n'a pas non plus permis de résoudre la divergence.

Signification
L'article affirme que la hiérarchie de multiplicité observée constitue une forte contrainte sur la modélisation de la production de bottomonium et sa corrélation avec l'activité de l'événement mou environnant. Plus précisément, les données indiquent que les événements produisant des états de bottomonium excités sont accompagnés d'une activité de particules chargées systématiquement plus faible que ceux produisant des états fondamentaux, l'effet étant plus prononcé à bas $p_T^{\mu\mu}$ .

L'auteur conclut que la dépendance de l'activité des particules chargées vis-à-vis de l'état, particulièrement à faible impulsion transverse, motive des études plus approfondies de la relation entre la production de bottomonium et l'environnement hadronique dans les collisions $pp$ à haute multiplicité. Les résultats défient les modèles de Monte Carlo existants (spécifiquement Pythia 8) pour mieux décrire l'interaction entre la formation de quarkonium et la dynamique de la QCD molle.

Résumé technique : Corrélations entre la production de Υ(nS)\Upsilon(nS)Υ(nS) et l'événement sous-jacent dans les collisions $pp$

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