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

Utilizzando 138 fb$^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone a $\sqrt{s}$ = 13 TeV raccolti dal rivelatore CMS, questo studio riporta la prima osservazione della produzione associata di $\Upsilon$(1S) e del bosone Z e misura la sezione d'urto efficace dello scattering a doppio partone, inclusa la sua dipendenza dal momento trasverso.

L'essenziale

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) al CERN come il più potente distruttore di particelle al mondo. Ogni secondo, spara due fasci di protoni (piccole particelle che compongono gli atomi) l'uno contro l'altro a una velocità vicina a quella della luce. Quando collidono, creano un'esplosione caotica di nuove particelle.

Per decenni, i fisici hanno cercato di capire esattamente come avvengano queste collisioni. Di solito, assumono che quando due protoni si scontrano, si tratti di un combattimento "uno contro uno": un pezzo del primo protone colpisce un pezzo del secondo protone, e basta. Questo è chiamato Single-Parton Scattering (SPS).

Tuttä, questo articolo suggerisce che a volte è più simile a una partita con doppio incontro. In una singola collisione, due coppie separate di pezzi potrebbero interagire nello stesso identico momento. Questo è chiamato Double-Parton Scattering (DPS).

La Grande Scoperta: Catturare un Raro "Doppio Appuntamento"

Il team CMS (un enorme gruppo di scienziati) ha esaminato 138 miliardi di collisioni (una quantità enorme di dati) per trovare un evento molto specifico e raro. Cercavano una collisione che producesse due cose pesanti e distinte contemporaneamente:

1. Un bosone Z: una particella pesante che agisce come un messaggero della forza nucleare debole.
2. Un mesone $\Upsilon$(1S): una particella pesante composta da un quark bottom e dalla sua anti-particella (pensatelo come un atomo molto pesante e a breve durata di vita).

Trovare questi due pesanti elementi insieme è come trovare una specifica coppia di gemelli in una folla di miliardi. Il team è riuscito a identificare 34,6 eventi (con una certezza statistica superiore a 5 deviazioni standard, il che significa che è quasi certamente una scoperta reale e non un colpo di fortuna).

Come ci sono riusciti: L'Indizio dei "Quattro Muoni"

Sia il bosone Z che il mesone $\Upsilon$(1S) sono instabili; si disintegrano istantaneamente. Tuttavia, entrambi hanno l'abitudine di decadere in coppie di muoni (parenti pesanti degli elettroni).

• Il bosone Z si divide in 2 muoni.
• L' $\Upsilon$(1S) si divide in 2 muoni.
• Totale: 4 muoni che volano fuori dalla collisione.

Gli scienziati hanno agito come detective su una scena del crimine. Hanno cercato questi quattro muoni e hanno controllato se provenissero tutti dallo stesso punto esatto (un vertice comune).

• La Teoria "Uno contro Uno" (SPS): Se si fosse trattato di una collisione standard, tutti e quattro i muoni proverrebbero naturalmente da un unico punto di impatto.
• La Teoria del "Doppio Appuntamento" (DPS): Se si fosse trattato di una doppia collisione, il bosone Z potrebbe provenire da uno scontro, e l' $\Upsilon$ da uno scontro completamente separato avvenuto proprio accanto ad esso. In questo caso, i muoni proverrebbero da due punti diversi.

Analizzando gli angoli e le distanze tra i muoni, il team è stato in grado di separare gli eventi "Uno contro Uno" dagli eventi "Doppio Appuntamento".

I Risultati: Misurare la "Sezione d'Urto Effettiva"

L'articolo calcola un numero chiamato $\sigma_{eff}$ (sigma-eff). Pensate a questo come a una misura di quanto sia affollato il protone.

• L'Analogia: Immaginate che un protone sia una pista da ballo affollata.
  • Se i ballerini (partoni) sono sparsi uniformemente, è facile trovare due coppie separate che ballano contemporaneamente.
  • Se i ballerini sono raggruppati in un gruppo stretto, è più difficile che due coppie separate interagiscano senza scontrarsi tra loro.

Il team ha misurato questa "affollatezza" come 13,0 mb (millibarn). Questo numero indica quanto sia probabile che due interazioni separate avvengano in un singolo scontro tra protoni.

Un Nuovo Livello di Dettaglio

Ciò che rende speciale questo articolo è che non hanno fornito solo un numero medio. Hanno misurato questa "affollatezza" in diversi intervalli (bin) basati sulla velocità con cui le particelle si muovono (il loro momento).

• Hanno scoperto che man mano che il mesone $\Upsilon$(1S) si muove più velocemente, la sezione d'urto effettiva cambia.
• Ciò suggerisce che la "pista da ballo" non è uniforme; la disposizione dei ballerini cambia a seconda di quanto forte li si colpisce.

Riassunto

In termini semplici, questo articolo è la prima volta che gli scienziati hanno osservato con successo la creazione simultanea di un bosone Z e di un mesone $\Upsilon$(1S) in una collisione tra protoni. Studiando questo evento raro, hanno confermato che le "doppie collisioni" (dove due coppie di particelle interagiscono contemporaneamente) avvengono più spesso di quanto precedentemente pensato in questo specifico scenario. Hanno usato questo per mappare la struttura interna del protone, rivelando come i suoi minuscoli componenti siano disposti nello spazio.

Concetto Chiave: I protoni non sono solo semplici palle da biliardo; sono nuvole complesse dove possono avvenire molteplici interazioni simultaneamente, e questo articolo fornisce una nuova, dettagliata mappa di come avvengono tali interazioni.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Osservazione della produzione associata $\Upsilon(1S) + Z$ e misurazione della sezione d'urto efficace del Double-Parton Scattering

Problema e Motivazione
Il meccanismo di produzione dei quarkoni pesanti nelle collisioni adroniche rimane un ambito in cui la comprensione teorica è incompleta, in particolare per quanto riguarda l'hadronizzazione non perturbativa delle coppie quark-antiquark pesanti. Questa complessità aumenta significativamente quando i quarkoni sono prodotti in associazione con bosoni elettrodeboli, come il bosone $Z$. In questi processi, lo stato finale può derivare da due meccanismi distinti: lo Scattering a Particella Singola (SPS), in cui una singola coppia di partoni interagisce, o lo Scattering a Doppia Particella (DPS), in cui due coppie indipendenti di partoni interagiscono all'interno della stessa collisione protone-protone.

Il contributo del processo DPS è quantificato dalla sezione d'urto efficace del DPS, $\sigma_{\text{eff}}$, che è correlata alla distribuzione spaziale trasversale dei partoni all'interno del nucleone. Sebbene le precedenti misurazioni sperimentali abbiano fornito valori integrati di $\sigma_{\text{eff}}$ per vari processi, vi è una mancanza di dati riguardanti la dipendenza di $\sigma_{\text{eff}}$ dalle variabili cinematiche, come la quantità di moto trasversa ($p_T$). Inoltre, i modelli teorici faticano a catturare pienamente l'interazione tra SPS e DPS nei canali di produzione associata. Questo studio affronta tali lacune investigando la produzione associata di un mesone $\Upsilon(1S)$ e un bosone $Z$ in collisioni protone-protone a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore CMS durante i periodi di run 2016–2018 del CERN LHC, corrispondenti a una luminosità integrata di $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Selezione degli Eventi: Sia il bosone $Z$ che i mesoni $\Upsilon(nS)$ ($n=1, 2, 3$) sono ricostruiti attraverso i loro decadimenti in coppie di muoni di segno opposto ($\mu^+\mu^-$). Il canale del segnale richiede quattro muoni nello stato finale.

  • Candidati $\Upsilon$: I muoni devono soddisfare criteri di identificazione "soft", $p_T > 3$ GeV, $|\eta| < 2.4$, e una massa invariante compresa tra 8.5 e 11 GeV.
  • Candidati $Z$: I muoni devono soddisfare criteri di identificazione "tight", con soglie di $p_T$ per il muone leader e subleader rispettivamente di 30 e 15 GeV, $|\eta| < 2.4$, e una massa invariante tra 66 e 116 GeV.
  • Vertexing: Un requisito cruciale è che tutti i quattro muoni debbano originare da un vertice comune con una probabilità di fit $>1\%$. Ciò sopprime il background proveniente da interazioni di pileup dove l'$\Upsilon$ e il $Z$ originano da collisioni indipendenti.
  • Isolamento: I muoni devono essere isolati dall'attività adronica, con specifici rapporti di isolamento ($I$) applicati in base al fatto che appartengano al candidato $\Upsilon$ o al candidato $Z$.

• Normalizzazione: Per ridurre le incertezze sistematiche, la sezione d'urto del segnale è normalizzata alla sezione d'urto fiduciale della produzione $Z \to 4\mu$. Questo canale di normalizzazione utilizza criteri di selezione simili ma non richiede un vertice comune per tutti i quattro muoni, poiché il background da vertici indipendenti in questa finestra di massa è trascurabile.

• Analisi Statistica:

  • Estrazione del Segnale: Viene eseguito un fit unbinned maximum likelihood esteso in due dimensioni (masse invarianti dei candidati $\Upsilon$ e $Z$). Le forme del segnale sono modellate utilizzando funzioni Voigtian e Gaussiane, mentre i background sono descritti da funzioni esponenziali.
  • Separazione SPS vs. DPS: La tecnica $sPlot$ viene utilizzata per estrarre i pesi per gli eventi del segnale. Questi pesi vengono applicati alle distribuzioni della differenza di rapidità ($\Delta y$) e della differenza di angolo azimutale ($\Delta \phi$) tra i candidati $\Upsilon$ e $Z$. Un fit a template 2D tramite kernel density estimation (derivato dalla simulazione) separa i contributi SPS e DPS.

Contributi Chiave e Risultati

1. Osservazione di $Z + \Upsilon(1S)$: L'analisi osserva $34.6 \pm 9.0$ eventi di produzione $Z + \Upsilon(1S)$. La significatività statistica di questo segnale, rispetto all'ipotesi di solo background, è di 5.3 deviazioni standard, il che costituisce la prima osservazione di questo canale di produzione associata. I segnali per $Z + \Upsilon(2S)$ e $Z + \Upsilon(3S)$ hanno mostrato una significatività inferiore a 3 deviazioni standard.
2. Rapporto della Sezione d'Urto Fiduciale: Il rapporto delle sezioni d'urto fiduciali è misurato come:
   $$R_{Z+\Upsilon(1S)} = \frac{\sigma(pp \to Z + \Upsilon(1S)) \mathcal{B}(Z \to \mu^+\mu^-) \mathcal{B}(\Upsilon(1S) \to \mu^+\mu^-)}{\sigma(pp \to Z) \mathcal{B}(Z \to 4\mu)} = (21.1 \pm 5.5 \text{ (stat)} \pm 0.6 \text{ (syst)}) \times 10^{-3}$$
3. Frazione DPS e $\sigma_{\text{eff}}$: Il fit alle distribuzioni $\Delta y$ e $\Delta \phi$ fornisce una frazione DPS di $f_{\text{DPS}} = 0.95 \pm 0.25$. Di conseguenza, la resa (yield) DPS è determinata in $32.9 \pm 8.7$ eventi. Utilizzando questa resa e il rapporto misurato, viene estratta la sezione d'urto efficace del double-parton scattering:
   $$\sigma_{\text{eff}} = 13.0^{+7.7}_{-3.4} \text{ mb}$$
   Questo valore è coerente con le precedenti misurazioni di $\sigma_{\text{eff}}$ da processi di doppio quarkonio e altri processi multi-jet.
4. Misurazione Differenziale: Per la prima volta, $\sigma_{\text{eff}}$ viene misurato in bin della quantità di moto trasversa ($p_T$) del mesone $\Upsilon(1S)$ e del bosone $Z$. I risultati non mostrano deviazioni significative dal valore inclusivo entro le ampie incertezze statistiche, sebbene l'andamento suggerisca una potenziale diminuzione di $\sigma_{\text{eff}}$ all'aumentare della $p_T$ di $\Upsilon(1S)$, in linea con l'aspettativa che i quarkoni ad alta $p_T$ originino da partoni più vicini al nucleo del protone.

Significatività
L'articolo riporta la prima osservazione della produzione associata $\Upsilon(1S) + Z$ in collisioni protone-protone. Separando con successo i componenti SPS e DPS, lo studio fornisce una misurazione di $\sigma_{\text{eff}}$ in un nuovo regime cinematico che coinvolge uno stato di quarkone pesante e un bosone elettrodebole. La principale significatività risiede nella prima misurazione differenziale di $\sigma_{\text{eff}}$ in funzione di $p_T$ per queste specifiche particelle. Queste misurazioni per bin offrono nuovi vincoli per i modelli teorici delle funzioni di distribuzione a doppia partizione e della struttura trasversale del protone, affrontando il limite dei precedenti studi che fornivano solo misurazioni integrate sull'intero spazio delle fasi. Il risultato è coerente con l'interpretazione geometrica di $\sigma_{\text{eff}}$ e supporta la validità dell'uso di questo parametro per quantificare i contributi DPS in stati finali complessi.