Measurement of coherent exclusive $J/\psi\to\mu^+\mu^-$ production in ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\textrm{NN}}}=5.36$ TeV with the ATLAS detector

L'esperimento ATLAS ha misurato la produzione coerente esclusiva di $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ nelle collisioni ultraperiferiche Pb+Pb a 5.36 TeV utilizzando dati del 2023, ottenendo sezioni d'urto differenziali che, sebbene in accordo con le previsioni teoriche, mostrano una tensione con i risultati precedenti di Run 2 nella regione di rapidità centrale.

L'essenziale

Il Grande Scontro "Senza Contatto"

Immagina due giganteschi camionisti (i nuclei di piombo) che guidano a velocità incredibili, quasi quella della luce, su due corsie parallele. Di solito, se si scontrano, è un disastro totale: metallo contorto, scintille ovunque, un caos enorme. Questo è quello che succede nelle collisioni normali al Large Hadron Collider (LHC).

Ma in questo esperimento, i camionisti sono così bravi che non si toccano mai. Passano l'uno accanto all'altro a una distanza di sicurezza, così vicina da sentirsi il vento, ma senza un impatto fisico. Questo è ciò che gli scienziati chiamano collisione ultra-periferica.

Nonostante non si tocchino, c'è un "vento" potentissimo che li attraversa: il campo elettromagnetico. Poiché i nuclei di piombo sono carichi positivamente (come due enormi calamite), quando passano veloci, generano un flusso di "fotoni" (particelle di luce) così intenso che questi fotoni possono scontrarsi tra loro o colpire il nucleo dell'altro camion. È come se, passando vicini, i due camion lanciassero dei proiettili di pura luce che colpiscono il bersaglio.

La Caccia al "J/psi" (Il Messaggero)

In questo scontro di luce, gli scienziati dell'esperimento ATLAS (un gigantesco occhio elettronico che guarda questi eventi) cercavano qualcosa di molto specifico: la creazione di una particella chiamata $J/\psi$.

Pensa alla $J/\psi$ come a un messaggero speciale che nasce dalla collisione di due fotoni. Questo messaggero è instabile e decade quasi istantaneamente in due "gemelli": un muone positivo e un muone negativo (una sorta di elettroni molto pesanti).

Il compito degli scienziati è stato:

1. Catturare i gemelli: Riuscire a vedere questi due muoni che escono dal nulla.
2. Misurarne la velocità e la direzione: Per capire come sono stati creati.
3. Escludere i falsi positivi: Assicurarsi che non fossero due muoni nati da un altro tipo di collisione "sporca" o da un errore dello strumento.

Il Problema dei "Gemelli Lenti" e il Trucco del TRT

C'era un problema enorme: i muoni prodotti in questo modo sono molto lenti (hanno poca energia). Normalmente, per vedere i muoni, l'esperimento ATLAS usa un sistema di rivelatori esterno (come un muro di sensori) che i muoni devono attraversare. Ma questi muoni lenti si fermavano prima di arrivare lì, perdendosi nel "muro" di materiali del rivelatore.

È come cercare di sentire un sussurro in una stanza piena di gente che urla, ma il sussurro si ferma prima di arrivare alle tue orecchie.

La soluzione? Gli scienziati hanno usato un trucco geniale: il TRT (Transition Radiation Tracker). Immagina il TRT come una rete di fili sottilissimi (canne di paglia) situata proprio prima che i muoni si fermino. Invece di aspettare che i muoni escano fuori, hanno usato un segnale speciale: quando una particella carica passa attraverso questi fili, emette un piccolo "flash" di luce (radiazione di transizione).
Hanno riattivato un vecchio sistema di allarme (il "FastOR") che normalmente serve per i raggi cosmici, per catturare proprio questi sussurri lenti. È stato come mettere un microfono sensibile proprio vicino alla bocca del sussurratore.

Cosa Hanno Scoperto?

Dopo aver raccolto i dati (circa 79 microbarn di "tempo di collisione", che è tantissimo per questo tipo di eventi rari), hanno misurato quante volte è nata la particella $J/\psi$ in diverse direzioni.

Ecco i risultati principali:

• Confronto con la teoria: I loro risultati combaciano bene con le previsioni teoriche che usano modelli complessi (come il "condensato di vetro colorato", che descrive come i "mattoncini" della materia, i gluoni, si comportano dentro un nucleo pesante).
• Il mistero del centro: C'è però una cosa strana. Quando hanno confrontato i loro dati con quelli di un altro esperimento (ALICE) fatto l'anno prima, hanno visto una differenza significativa nella zona centrale.
  • L'analogia: Immagina che due fotografi scattino la stessa foto di un evento. Uno vede il soggetto al centro, l'altro no.
  • La causa probabile: Gli scienziati pensano che la differenza non sia un errore, ma dovuta a "particelle extra" che vengono prodotte insieme alla $J/\psi$ e che l'esperimento ALICE ha scartato per errore, mentre ATLAS le ha ignorate o gestite diversamente. È come se ALICE avesse detto "No, questo non è il soggetto perché c'è un'ombra dietro", mentre ATLAS ha detto "No, il soggetto c'è, l'ombra è solo un dettaglio".

Perché è Importante?

Questo studio ci aiuta a capire come è fatto il nucleo atomico quando è compresso e caldo. In particolare, ci dice come i "mattoncini" che tengono insieme i protoni e i neutroni (i gluoni) si comportano quando sono ammassati in un nucleo grande come il piombo.

È come se stessimo cercando di capire come è fatta la trama di un tessuto guardando come la luce lo attraversa senza strapparlo. Se la luce passa in modo diverso rispetto a quanto ci aspettiamo, significa che la trama del tessuto (il nucleo) ha proprietà che non avevamo ancora capito, come l'effetto "ombra" (shadowing) o la saturazione dei gluoni.

In Sintesi

Gli scienziati di ATLAS hanno usato un trucco intelligente per "ascoltare" i sussurri di particelle lente create da collisioni di luce tra nuclei di piombo. Hanno scoperto che, per la maggior parte, la natura fa esattamente quello che le teorie prevedono, ma c'è ancora un piccolo mistero al centro che richiede di guardare più da vicino come le altre particelle "di disturbo" influenzano la nostra visione. È un passo avanti nella comprensione della materia più densa dell'universo.

Sommario tecnico

Titolo

Misura della produzione coerente ed esclusiva di $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ in collisioni ultraperiferiche Pb+Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV con il rivelatore ATLAS.

1. Il Problema e il Contesto Fisico

Le collisioni ultraperiferiche (UPC) di ioni pesanti (come il piombo, Pb) offrono un ambiente unico per studiare le interazioni fotone-nucleo e fotone-fotone. In queste collisioni, a grandi parametri di impatto, i nuclei interagiscono principalmente attraverso i loro intensi campi elettromagnetici, descritti come flussi di fotoni equivalenti (approccio di Weizsäcker-Williams).
Il processo di produzione coerente di vettori pesanti (come il mesone $J/\psi$) è sensibile alla distribuzione dei partoni nucleari (nPDF), in particolare alla funzione di distribuzione dei gluoni a basso $x$ (Bjorken-$x$). Questo processo permette di investigare fenomeni fondamentali come:

• Ombreggiatura nucleare (Shadowing): La soppressione delle densità di partoni nei nuclei rispetto ai protoni liberi.
• Saturazione dei partoni: L'emergere di una nuova scala di momento ($Q_s$) dovuta alla ricombinazione dei gluoni ad alta densità.
  Tuttavia, l'interpretazione dei dati è complessa a causa delle significative correzioni di ordine superiore (NLO) nella QCD, che possono portare a cancellazioni tra contributi di gluoni e quark. Inoltre, esistono discrepanze tra le misurazioni precedenti (Run 2 del LHC) e le previsioni teoriche, specialmente nella regione di rapidità centrale.

2. Metodologia Sperimentale

L'analisi si basa sui dati raccolti dal rivelatore ATLAS durante il Run 3 del LHC nel 2023, con un'integrazione di luminosità di $79 \, \mu b^{-1}$ a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV.

• Trigger e Selezione:

  • A causa della bassa energia trasversa ($p_T$) dei muoni prodotti dal decadimento $J/\psi$ (circa 1.5 GeV), che non raggiungono lo spettrometro dei muoni ma si fermano nel calorimetro, l'analisi si affida esclusivamente al Rivelatore Interno (ID).
  • È stato utilizzato un trigger dedicato basato sul Transition Radiation Tracker (TRT) (livello L1 "FastOR"), progettato per selezionare eventi con tracce a basso $p_T$ (fino a ~0.5 GeV) in condizioni di basso pile-up, tipiche delle UPC.
  • La selezione offline richiede esattamente due tracce cariche di segno opposto con $p_T > 1$ GeV e $|\eta| < 2.5$.
  • Vengono applicati criteri di esclusività: nessun'altra attività significativa nel rivelatore (energia trasversa totale nel calorimetro $< 20$ GeV, $< 5$ GeV nelle regioni forward).

• Ricostruzione e Identificazione:

  • Non vengono applicati criteri specifici di identificazione dei muoni (poiché non raggiungono i rivelatori dei muoni). Si assume l'ipotesi di massa del muone per le tracce.
  • La massa invariante del sistema di due tracce ($m_{\mu^+\mu^-}$) viene calcolata. La regione di segnale (SR) è definita come $2.9 < m_{\mu^+\mu^-} < 3.2$ GeV.
  • La produzione coerente è caratterizzata da un basso momento trasverso del $J/\psi$ ($p_T^{J/\psi} < 0.2$ GeV).

• Stima dei Fondi (Background):

  • $\psi(2S)$ feed-down: Stima tramite simulazione MC normalizzata in una regione di controllo con tracce aggiuntive.
  • Pioni da eventi fotoneucleari: Stima data-driven utilizzando coppie di tracce con stesso segno (same-sign) per modellare la distribuzione di $p_T$.
  • $\gamma\gamma \to \ell^+\ell^-$ e $J/\psi \to e^+e^-$: Separati tramite fit della massa invariante estesa ($2.5 - 3.5$ GeV) utilizzando forme di segnale (Crystal Ball) e fondi esponenziali.
  • Produzione incoerente dissociativa: Modellata con una funzione di legge di potenza basata sui dati H1.

• Estrazione del Segnale:

  • I rendimenti grezzi vengono estratti tramite fit dei profili di $p_T^{J/\psi}$ nella regione di segnale, separando i contributi coerenti, incoerenti e dissociativi.
  • Vengono applicate correzioni per l'efficienza di trigger (misurata indipendentemente usando trigger ZDC) e l'accettanza geometrica.

3. Contributi Chiave

• Nuova Regione di Rapidità: Questa misurazione copre per la prima volta la regione di rapidità intermedia $0.8 < |y| < 1.6$ nel sistema ATLAS, colmando un vuoto tra le misurazioni di ALICE (bassa rapidità) e CMS/LHCb (alta rapidità).
• Trigger TRT Innovativo: Dimostrazione dell'uso efficace del trigger TRT a livello L1 per eventi UPC con tracce a basso $p_T$, una tecnica precedentemente non utilizzata per questo scopo in ATLAS.
• Analisi Dettagliata dei Fondi: Sviluppo di una procedura robusta per la stima dei fondi combinatori e la separazione dei canali $e^+e^-$ e $\mu^+\mu^-$ senza identificazione diretta delle particelle, sfruttando le distorsioni della massa invariante causate dal materiale del rivelatore.

4. Risultati

• Sezioni d'urto Differentiali: Sono state misurate le sezioni d'urto differenziali in funzione della rapidità del $J/\psi$ per $|y| < 2.5$.
• Confronto con la Teoria:
  • I dati sono confrontati con diverse previsioni teoriche, inclusi i modelli STARlight (Glauber classico), Color Glass Condensate (CGC) e modelli a dipolo di colore (CD).
  • I modelli basati sul dipolo di colore forniscono la migliore descrizione dei dati.
  • È stata osservata una significativa soppressione nucleare nella regione di rapidità centrale ($|y| < 0.5$), con un rapporto tra sezione d'urto misurata e modello di approssimazione impulsiva (IA) di $S^2_{Pb} = 0.57 \pm 0.04$.
• Confronto con Run 2 (5.02 TeV):
  • Dopo l'estrapolazione dei dati da 5.36 TeV a 5.02 TeV (fattore di riduzione del 4-5%), i risultati sono stati confrontati con le misurazioni precedenti di ALICE, CMS e LHCb.
  • Tensione: Mentre i risultati a rapidaità forward sono in accordo con le misurazioni precedenti, si osserva una significativa tensione (disaccordo) nella regione di rapidità centrale ($0 < y < 1$) rispetto ai dati di ALICE.
  • Ipotesi sulla discrepanza: Gli autori suggeriscono che la differenza potrebbe essere dovuta alla produzione di coppie di particelle aggiuntive (es. $e^+e^-$ o $\pi^+\pi^-$ da decadimenti $\rho^0$) nello stesso evento UPC. Queste coppie aggiuntive potrebbero violare i criteri di esclusività applicati da ALICE (che utilizzano contatori forward), portando alla rigetto di eventi di segnale, mentre la selezione di ATLAS (basata sull'ID) è meno sensibile a queste particelle forward.

5. Significato

Questa misurazione rappresenta il primo studio coerente ed esclusivo di $J/\psi$ in collisioni Pb+Pb da parte di ATLAS, fornendo dati cruciali nella regione di rapidità intermedia.

• Validazione dei Modelli: Conferma la capacità dei modelli a dipolo di colore di descrivere la produzione coerente in UPC.
• Studio dell'Ombreggiatura: Fornisce nuove evidenze sulla soppressione nucleare dei gluoni a basso $x$.
• Risoluzione delle Discrepanze: La tensione osservata con i dati di ALICE evidenzia l'importanza critica dei criteri di esclusività e della comprensione delle interazioni multiple nelle UPC. Suggerisce che la produzione di coppie aggiuntive (processi multi-fotone o decadimenti vettoriali) possa influenzare significativamente le misurazioni di esclusività, un aspetto che richiede ulteriori studi teorici e sperimentali per una comprensione unificata della fisica nucleare a basse $x$.

In sintesi, il lavoro non solo estende la mappa delle sezioni d'urto coerenti, ma solleva questioni fondamentali sulla definizione stessa di "evento esclusivo" in ambienti ad alta densità di fotoni, influenzando la futura interpretazione dei dati di fisica nucleare al LHC.