Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

Questo studio presenta la misura del rapporto di sezione d'urto tra $\psi(2S)$ e $J/\psi$ in funzione della molteplicità nelle collisioni $p$Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV, rivelando una dipendenza dalla molteplicità solo per la produzione prompt nella direzione $p$Pb e suggerendo l'esistenza di meccanismi di soppressione aggiuntivi, potenzialmente legati alla formazione di un plasma di quark e gluoni, nel sistema collisionale più grande.

L'essenziale

🚀 Il Grande Esperimento: Scontrare Protoni contro Piombo

Immagina il CERN (l'organizzazione europea per la ricerca nucleare) come un gigantesco campo da calcio, ma invece di calciare un pallone, i fisici lanciano due treni ad alta velocità l'uno contro l'altro.

In questo specifico esperimento, chiamato LHCb, non hanno scontrato due treni identici. Hanno fatto scontrare un treno leggero (un protone, che è come un singolo vagone) contro un treno pesante e lungo (un nucleo di piombo, che è come un intero convoglio di vagoni).

L'obiettivo? Capire cosa succede quando queste particelle si scontrano ad energie incredibili, creando una "polvere" di materia così calda e densa da sciogliere persino gli atomi più piccoli.

🎯 Cosa stavano cercando? (I "Gemelli" della Materia)

Nel caos di questi scontri, nascono due tipi speciali di particelle, che chiamiamo "gemelli":

1. Il J/ψ (J-psi): È il "fratello maggiore", più pesante e robusto. È come un camioncino blindato.
2. Il ψ(2S) (Psi-2S): È il "fratello minore", più leggero e fragile. È come una moto sportiva.

La domanda dei fisici era: "Quando questi due nascono insieme in un scontro, qual è il rapporto tra la moto e il camioncino? E questo rapporto cambia se lo scontro è più 'affollato'?"

🏙️ L'Analogia della Folla: Piccolo vs Grande

Per rispondere, hanno guardato due scenari diversi, come se stessero osservando due città diverse:

1. La Città Piccola (pPb): Il protone va verso il piombo. Qui, il "traffico" (la materia creata) è più leggero. È come una folla in una piazza.
2. La Città Grande (Pbp): Il piombo va verso il protone. Qui, il "traffico" è molto più denso. È come una folla schiacciata in un ascensore o in una metropolitana affollata.

Hanno anche guardato la direzione:

• Verso il Piombo: Dove c'è più "carne da macello" (più materia nucleare).
• Verso il Protone: Dove c'è meno materia.

🔍 Cosa hanno scoperto? (La Sorpresa)

Ecco il risultato, tradotto in parole povere:

1. Il Fratello Fragile Scompare nella Folla (Verso il Piombo)
Quando lo scontro avviene nella direzione del piombo (la "metropolitana affollata"), hanno notato qualcosa di strano. Più la folla è densa, più la "moto fragile" (ψ(2S)) scompare rispetto al "camioncino blindato" (J/ψ).
È come se, in una folla molto stretta, la moto venisse schiacciata e distrutta, mentre il camioncino riesce a passare.

• Perché? Questo suggerisce che in queste piccole collisioni si forma una goccia di "Plasma di Quark e Gluoni" (QGP). Immagina il QGP come una zuppa bollente e appiccicosa. La moto fragile ci finisce dentro e si scioglie, mentre il camioncino è abbastanza forte da resistere. È una prova che anche in collisioni "piccole" (protoni contro nuclei) si possono creare condizioni simili a quelle delle stelle o del Big Bang.

2. Niente Sorprese nella Direzione Opposta
Quando guardano nella direzione opposta (verso il protone, la "piazza"), il rapporto tra moto e camioncino rimane stabile, indipendentemente da quanto è affollata la piazza. Qui non si forma quella "zuppa bollente", quindi la moto sopravvive come previsto.

3. Il Fratello "Non Prompt" (Quelli che arrivano dopo)
Hanno anche guardato le particelle che non nascono subito, ma arrivano un attimo dopo (come se fossero "figli" di altre particelle più grandi). Per queste, non hanno visto differenze: il rapporto è sempre lo stesso, ovunque. Questo conferma che l'effetto "zuppa" colpisce solo le particelle nate direttamente nello scontro.

💡 Perché è importante?

Prima di questo esperimento, pensavamo che il "Plasma di Quark e Gluoni" (la zuppa bollente) si formasse solo quando si scontrano due treni pesanti (Piombo contro Piombo), creando un'esplosione enorme.

Questo studio ci dice: "Ehi, anche quando scontriamo un singolo vagone contro un treno intero, se lo facciamo nella direzione giusta, possiamo creare una piccola goccia di zuppa!"

È come scoprire che non serve un incendio enorme per bruciare una foglia; basta una piccola scintilla in un ambiente giusto. Questo ci aiuta a capire come l'universo si comportava nei primi istanti dopo il Big Bang, quando era tutto piccolo, caldo e denso.

In sintesi

I fisici hanno scoperto che scontrando un protone contro un nucleo di piombo, nella direzione del piombo si crea un ambiente così caldo e denso da "sciogliere" le particelle più fragili. È una prova che la materia estrema può formarsi anche in collisioni più piccole di quanto pensassimo, aprendo una nuova finestra sulla comprensione dell'universo.

Sommario tecnico

Titolo: Misura del rapporto di sezione d'urto $\psi(2S)$ su $J/\psi$ in funzione della molteplicità nelle collisioni pPb a $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

1. Il Problema Scientifico

La produzione di quarkonia pesanti (stati legati di quark-antiquark, come il charmonio $c\bar{c}$) è un potente strumento per indagare la Cromodinamica Quantistica (QCD) in ambienti ad alta temperatura e densità.

• Contesto: Nelle collisioni di ioni pesanti (es. PbPb), si prevede la formazione di un plasma di quark e gluoni (QGP), che sopprime la produzione di stati di quarkonia (in particolare quelli eccitati come il $\psi(2S)$) attraverso meccanismi come lo screening di Debye.
• La sfida: Recentemente, è stata osservata una soppressione simile anche in sistemi di collisione "piccoli" ad alta molteplicità (come $pp$e$pA$). È oggetto di dibattito se questa soppressione sia dovuta esclusivamente a effetti della materia nucleare fredda (es. interazioni con particelle co-moventi o comovers) o se indichi la formazione di goccioline di QGP anche in sistemi piccoli.
• Obiettivo: Studiare il rapporto di produzione tra lo stato eccitato $\psi(2S)$ e lo stato fondamentale $J/\psi$ nelle collisioni protone-piombo (pPb) e piombo-protone (Pbp) per distinguere tra questi meccanismi e investigare l'asimmetria avanti-indietro (forward-backward) dovuta alla direzione del fascio di protoni rispetto a quello di piombo.

2. Metodologia e Analisi

Lo studio è stato condotto utilizzando i dati raccolti dall'esperimento LHCb nel 2016.

• Dati: Campione integrato di luminosità di $13.6 \text{ nb}^{-1}$ per collisioni pPb e $20.8 \text{ nb}^{-1}$ per Pbp, a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV.
• Canale di decadimento: Entrambi i mesoni sono ricostruiti nel canale di decadimento dimuone ($\mu^+\mu^-$).
• Regioni cinematiche: Le misure sono effettuate nella regione di rapidità nel centro di massa $1.5 < y^* < 4.0$ (direzione del protone, "avanti" per pPb) e $-5.0 < y^* < -2.5$ (direzione del piombo, "indietro" per pPb).
• Classificazione delle sorgenti: L'analisi separa la produzione prompt (direttamente dal processo di scattering duro) da quella non-prompt (derivante dal decadimento di adroni contenenti quark beauty, $b$-hadroni). Questo è cruciale poiché i meccanismi di soppressione agiscono diversamente su queste due componenti.
• Variabile di molteplicità: La dipendenza dalla densità di materia nucleare è studiata in funzione della molteplicità di particelle cariche ($N_{PV}^{tracks}$, $N_{PV}^{fwd}$, $N_{PV}^{bwd}$) misurata in diverse regioni di pseudorapidità.
• Metodo di estrazione: I rendimenti sono ottenuti tramite un fit esteso massimale di verosimiglianza non binnato in due dimensioni (massa invariante $m_{\mu\mu}$ e pseudo-tempo di decadimento $t_z$). Il rapporto di sezione d'urto normalizzato è calcolato per eliminare le incertezze sulle sezioni d'urto totali e sulle frazioni di branching.

3. Risultati Chiave

I risultati mostrano un comportamento asimmetrico e dipendente dalla sorgente:

1. Produzione Non-Prompt: Non è stata osservata alcuna dipendenza significativa dal rapporto di produzione $\psi(2S)/J/\psi$ in funzione della molteplicità, né nella configurazione pPb né in quella Pbp. Questo è atteso, poiché le variazioni nella produzione di $b$-hadroni si cancellano nel rapporto.
2. Produzione Prompt in pPb (Direzione del Protone): È osservata una chiara soppressione del rapporto $\psi(2S)/J/\psi$ all'aumentare della molteplicità. Il rapporto diminuisce linearmente con la molteplicità, con una significatività statistica superiore a $5\sigma$. Questo comportamento è coerente con le osservazioni nelle collisioni $pp$ e suggerisce che i meccanismi dominanti siano legati alle interazioni con le particelle co-moventi (comovers).
3. Produzione Prompt in Pbp (Direzione del Piombo): In netto contrasto con la direzione del protone, nella direzione del piombo (dove la densità barionica è più alta) non si osserva alcuna dipendenza significativa dalla molteplicità. Il rapporto rimane costante.
4. Asimmetria Avanti-Indietro: Esiste una marcata asimmetria tra le configurazioni pPb e Pbp. Mentre la direzione del protone mostra una dipendenza dalla molteplicità simile a quella delle collisioni $pp$, la direzione del piombo mostra un comportamento più simile alle collisioni PbPb (ioni pesanti), dove la soppressione è forte ma non dipende linearmente dalla molteplicità nello stesso modo, o dove meccanismi aggiuntivi entrano in gioco.

4. Contributi e Significatività

• Transizione tra Sistemi Piccoli e Grandi: I risultati evidenziano una transizione nei meccanismi di soppressione. La direzione del piombo nelle collisioni pPb sembra esibire dinamiche più vicine a quelle dei sistemi grandi (PbPb), suggerendo che in questa configurazione possano formarsi condizioni simili al QGP, anche in un sistema considerato "piccolo".
• Ruolo del QGP: L'assenza di dipendenza dalla molteplicità nella direzione del piombo, unita alla forte soppressione osservata, suggerisce che oltre agli effetti delle particelle co-moventi (che spiegano la dipendenza nella direzione del protone), possano essere attivi meccanismi di soppressione aggiuntivi, potenzialmente legati alla formazione di una gocciolina di plasma di quark e gluoni (QGP) di breve durata.
• Implicazioni Teoriche: Questi dati pongono vincoli stringenti sui modelli teorici (come il modello di evanescenza del colore o le teorie del condensato di vetro di colore) e supportano l'ipotesi che la formazione di QGP non sia esclusiva delle collisioni di ioni pesanti, ma possa verificarsi anche in collisioni protone-nucleo ad alta densità di materia, specialmente quando il nucleo è il proiettile che viaggia verso il rivelatore (configurazione Pbp).

In sintesi, lo studio di LHCb fornisce prove sperimentali cruciali che la soppressione del charmonio in collisioni asimmetriche pA dipende fortemente dalla direzione del fascio e dalla densità di materia nucleare, offrendo nuove prospettive sulla natura della transizione di fase verso il QGP in sistemi di dimensioni ridotte.