Inclusive $ψ(2S)$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

L'esperimento ALICE ha misurato per la prima volta la produzione inclusiva di mesoni $\psi(2S)$ a rapidità centrale nelle collisioni pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV, presentando la sezione d'urto differenziale in $p_{\rm T}$ e il suo rapporto con quella dei J/$\psi$, che mostra un lieve aumento all'aumentare dell'impulso trasverso.

L'essenziale

🎢 Il "Cucciolo" che cresce: La storia del ψ(2S)

Una guida al mondo delle particelle subatomiche con l'ALICE

Immagina l'Universo come una gigantesca fiera di paese. Al centro c'è un'attrazione speciale: il LHC (Large Hadron Collider) del CERN, che è come un gigantesco scivolo circolare dove due treni di particelle viaggiano a velocità prossime a quella della luce e si scontrano frontalmente.

In questo articolo, i ricercatori dell'esperimento ALICE (uno dei "giocatori" principali in questa fiera) raccontano una storia nuova su una particella molto particolare chiamata ψ(2S) (si legge "Psi due S").

1. Chi sono i protagonisti?

Per capire la storia, dobbiamo conoscere i "personaggi":

• Il J/ψ: È il "fratello maggiore", una particella stabile e ben nota, composta da un quark "charm" e il suo anti-quark. È come un adulto sicuro di sé.
• Il ψ(2S): È il "fratellino" o il "cucciolo". È fatto degli stessi ingredienti del J/ψ, ma è un po' più eccitato, più grande e meno stabile. Fino a poco tempo fa, nessuno era riuscito a vederlo bene in certe condizioni.

2. Cosa hanno fatto gli scienziati?

Immagina di voler contare quanti "cuccioli" (ψ(2S)) nascono ogni volta che due treni di particelle si scontrano. Il problema è che questi cuccioli sono molto rari e difficili da vedere, specialmente quando hanno una velocità (o "impulso") non troppo alta.

Prima di questo studio, gli scienziati potevano vederli solo quando correvano molto veloci (come un'auto in autostrada). In questo nuovo lavoro, l'ALICE ha usato un trucco speciale: un filtro elettronico (chiamato Transition Radiation Detector o TRD) che agisce come un cane da caccia addestrato.

• Invece di guardare tutte le collisioni (che sono milioni e milioni), questo "cane" ha fiutato solo quelle che contenevano elettroni veloci, ignorando il rumore di fondo.
• Grazie a questo trucco, sono riusciti a guardare i "cuccioli" anche quando correvano più piano (tra 4 e 16 GeV/c), un territorio che prima era quasi inesplorato.

3. La scoperta principale: Il rapporto tra fratelli

La domanda chiave era: "Quanti cuccioli (ψ(2S)) nascono rispetto agli adulti (J/ψ)?"

In fisica, c'è una teoria che dice che questo rapporto dovrebbe essere sempre lo stesso, indipendentemente da quanto velocemente corrono le particelle. È come dire che in una famiglia, il rapporto tra bambini e adulti dovrebbe essere fisso, non importa se stanno correndo o camminando.

Cosa hanno scoperto?
Hanno scoperto che il rapporto non è fisso! Man mano che le particelle corrono più veloci, il numero di "cuccioli" rispetto agli "adulti" aumenta leggermente. È come se, quando la fiera diventa più frenetica, nascessero più cuccioli rispetto al solito.

4. Il confronto con le teorie (I "Profeti")

Gli scienziati hanno confrontato i loro dati con due grandi "oracoli" (modelli teorici) che cercano di prevedere come funziona l'Universo:

1. NRQCD: Un modello molto complesso che tiene conto di molte regole della fisica quantistica.
2. ICEM: Un modello più semplice basato sull'idea che le particelle si "evaporino" e si riformino.

Il verdetto:

• Il modello NRQCD ha indovinato quasi perfettamente il comportamento dei dati. È come se avesse la sfera di cristallo giusta.
• Il modello ICEM ha previsto che il rapporto sarebbe rimasto piatto (invariato), ma i dati reali hanno mostrato quella leggera crescita. Quindi, questo modello semplice non basta a spiegare tutto.

5. Perché è importante?

Questa ricerca è fondamentale per due motivi:

1. Mappa più completa: Hanno riempito un buco nella mappa. Ora sappiamo come si comportano queste particelle anche a velocità "medie", non solo a quelle estreme.
2. Capire la "colla" dell'Universo: Queste particelle sono fatte di quark tenuti insieme dalla "forza forte" (la colla dell'universo). Capire come si formano ci aiuta a capire come funziona la materia stessa, e potrebbe anche aiutarci a capire cosa succede nelle esplosioni di stelle o nei primi istanti dopo il Big Bang.

In sintesi

L'ALICE ha usato un "cane da caccia" elettronico per catturare una particella rara (il ψ(2S)) in un nuovo territorio di velocità. Hanno scoperto che il rapporto tra questa particella e la sua versione più famosa (J/ψ) cambia leggermente con la velocità, confermando che la natura è più complessa e interessante di quanto pensassero i modelli più semplici. È un passo avanti per capire le regole fondamentali che governano il nostro Universo.

Sommario tecnico

Titolo: Produzione inclusiva di $\psi(2S)$ a rapidità centrale in collisioni pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV

1. Il Problema e il Contesto Scientifico

I mesoni di charmonio, come il $J/\psi$ e il $\psi(2S)$, sono stati legati di un quark charm e un anti-quark charm. La loro produzione negli urti adronici è un processo complesso governato da scale energetiche diverse: la scala dura della massa del quark charm e le scale morbide legate al momento del quark e all'energia di legame.

• Sfida Teorica: Esistono diversi modelli teorici per descrivere la formazione degli adroni pesanti, tra cui il Modello a Singoletto di Colore (CSM), la Cromodinamica Quantistica Non Relativistica (NRQCD) e il Modello di Evaporazione del Colore (CEM/ICEM). Un punto cruciale è la validità della "fattorizzazione" e dell'universalità delle frazioni di frammentazione. Recenti studi hanno mostrato che la frammentazione dei quark pesanti in adroni aperti (come i barioni charm) dipende dall'ambiente di collisione, sfidando l'ipotesi di universalità.
• Gap Sperimentale: Mentre la produzione di $J/\psi$ è stata ampiamente studiata, la produzione inclusiva di $\psi(2S)$ (uno stato eccitato) a rapidità centrale ($|y| < 0.9$) e a bassi impulsi trasversi ($p_T$) era scarsamente esplorata. Le misurazioni precedenti erano limitate a $p_T > 6.5$ GeV/c (CMS) o $p_T > 10$ GeV/c (ATLAS) e a energie inferiori, oppure a rapidità anteriori.

2. Metodologia Sperimentale

L'analisi è stata condotta utilizzando il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider (LHC) durante le campagne di presa dati del Run 2 (2017-2018) per collisioni protone-protone a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Campionamento Dati e Trigger:
  • È stato utilizzato un campione di dati basato su un trigger di livello 1 del Rivelatore a Radiazione di Transizione (TRD). Questo trigger seleziona elettroni/positroni con $p_T > 2$ GeV/c, aumentando significativamente l'efficienza di selezione rispetto al trigger "minimum bias" (MB).
  • Il fattore di arricchimento degli eventi contenenti elettroni è di circa 34 volte rispetto al campione MB.
  • La luminosità integrata totale è di 1.7 pb$^{-1}$ (con un'incertezza sistematica del 1.8%).
• Ricostruzione delle Particelle:
  • I mesoni $\psi(2S)$ e $J/\psi$ sono stati ricostruiti attraverso il canale di decadimento in coppie dielettrone ($e^+e^-$).
  • Le tracce sono state ricostruite utilizzando il Sistema di Tracciamento Interno (ITS) e la Camera a Proiezione Temporale (TPC), coprendo l'intervallo di pseudorapidità $|\eta| < 0.9$.
  • Sono stati applicati criteri di qualità rigorosi per le tracce (numero di cluster TPC, hit ITS, distanza di massimo avvicinamento al vertice primario) e per l'identificazione delle particelle (PID) basata sulla perdita di energia specifica ($dE/dx$) nel TPC e sulla radiazione di transizione nel TRD.
• Estrazione del Segnale:
  • Le distribuzioni di massa invariante ($m_{ee}$) delle coppie $e^+e^-$ sono state analizzate.
  • Il fondo combinatorio non correlato è stato stimato usando la tecnica degli eventi misti (ME).
  • Il fondo correlato (principalmente da decadimenti semi-leptonici di adroni pesanti) è stato modellato con un polinomio di secondo ordine.
  • I segnali di $J/\psi$ e $\psi(2S)$ sono stati estratti tramite fitting con template derivati da simulazioni Monte Carlo (PYTHIA 6.4 + GEANT3).
• Correzioni e Incertezze:
  • Le sezioni d'urto differenziali sono state ottenute correggendo il numero grezzo di candidati per l'accettanza geometrica, l'efficienza di ricostruzione, l'efficienza di trigger TRD e il branching ratio.
  • Le incertezze sistematiche sono state valutate variando i criteri di selezione, le funzioni di fit e le distribuzioni di input nelle simulazioni.

3. Contributi Chiave

• Prima Misurazione a Rapidity Centrale: Questo lavoro presenta la prima misurazione della sezione d'urto di produzione inclusiva di $\psi(2S)$ a rapidità centrale ($|y| < 0.9$) nel LHC.
• Estensione del Rango in $p_T$: L'analisi estende il rango di impulso trasverso accessibile fino a 4 GeV/c, un regime precedentemente inaccessibile a rapidità centrale per questo stato eccitato con questa precisione.
• Analisi Coerente: Il rapporto tra le sezioni d'urto di $\psi(2S)$ e $J/\psi$ è stato calcolato in modo coerente all'interno dello stesso set di dati e della stessa analisi, riducendo le incertezze sistematiche correlate.

4. Risultati Principali

• Sezione d'urto Differenziale ($d^2\sigma/dydp_T$):
  • È stata misurata la sezione d'urto inclusiva di $\psi(2S)$ nell'intervallo $4 < p_T < 16$ GeV/c.
  • I risultati sono in accordo con i dati inclusivi derivati dalle misure di ATLAS nella regione di sovrapposizione ($8 < p_T < 16$ GeV/c).
  • Lo spettro di $p_T$ è stato descritto bene da una funzione di legge di potenza.
• Confronto con Modelli Teorici:
  • NRQCD: I calcoli NRQCD (Next-to-Leading Order) descrivono quantitativamente i dati su tutto il range di $p_T$, sia per la sezione d'urto assoluta che per il rapporto con $J/\psi$.
  • ICEM (Improved Color Evaporation Model): Le previsioni ICEM sono compatibili con i dati entro le incertezze, ma tendono a sottostimare leggermente la sezione d'urto e, soprattutto, non riescono a riprodurre la tendenza crescente del rapporto $\psi(2S)/J/\psi$ osservata sperimentalmente.
• Rapporto $\psi(2S)/J/\psi$:
  • È stato osservato un lieve aumento del rapporto tra le sezioni d'urto di $\psi(2S)$ e $J/\psi$ all'aumentare di $p_T$.
  • Questo comportamento è compatibile con le previsioni NRQCD, che suggeriscono spettri $p_T$ più "duri" per gli stati più pesanti.
  • Il rapporto non mostra una significativa dipendenza dalla rapidità, risultando compatibile con le misurazioni a rapidità anteriore dello stesso esperimento ALICE.

5. Significato e Implicazioni

• Test di Fattorizzazione e Universalità: I risultati forniscono un banco di prova cruciale per i modelli di produzione di quarkonia. Il buon accordo con NRQCD supporta l'ipotesi di fattorizzazione e l'universalità dei Long-Distance Matrix Elements (LDMEs) in questo regime di energia e rapidità.
• Dinamica di Adronizzazione: L'osservazione di un rapporto crescente con $p_T$ suggerisce che la dinamica di adronizzazione dei quark charm in stati eccitati ($\psi(2S)$) rispetto allo stato fondamentale ($J/\psi$) è influenzata dalla cinematica dell'urto duro, un aspetto che modelli come ICEM faticano a catturare pienamente.
• Baseline per Collisioni Nucleari: Queste misurazioni in collisioni pp costituiscono una baseline essenziale per gli studi di collisioni nucleo-nucleo (Pb-Pb) e protone-nucleo (p-Pb), dove i mesoni di charmonio sono usati come sonde per studiare il plasma di quark e gluoni (QGP) e gli effetti di mezzo. La capacità di misurare a bassi $p_T$ è fondamentale per comprendere la soppressione e la rigenerazione dei quarkonia in ambienti densi.

In sintesi, questo studio colma un vuoto sperimentale importante, fornendo dati di alta precisione a bassi impulsi trasversi che confermano la validità del formalismo NRQCD e offrono nuovi vincoli per la comprensione della frammentazione dei quark pesanti.