Multiplicity dependence of prompt and non-prompt J/$\psi$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Questo studio misura la dipendenza dalla molteplicità delle produzioni di J/ψ prompt e non prompt a rapidità centrale nelle collisioni pp a 13 TeV, rivelando un aumento delle rese normalizzate più che lineare, specialmente nella regione azimutale "verso" il momento del J/ψ.

L'essenziale

Il Titolo: Cosa stiamo cercando?

Immagina di essere un detective che studia le collisioni di particelle. Gli scienziati dell'esperimento ALICE (al CERN, il grande acceleratore di particelle in Svizzera) hanno preso due "proiettili" di energia (protoni) e li hanno fatti scontrare a velocità incredibili, pari a quasi quella della luce.

L'obiettivo? Studiare una particella speciale chiamata J/ψ (si legge "J-psì"). Questa particella è come un "messaggero" che ci racconta cosa succede quando la materia viene compressa e riscaldata all'ennesima potenza.

Ci sono due tipi di messaggeri J/ψ:

1. I "Prompt" (Immediati): Nascono direttamente dallo scontro, come un'esplosione istantanea.
2. I "Non-Prompt" (Ritardati): Nascono dal decadimento di particelle più pesanti (come i "b" o beauty), un po' come se un genitore (la particella pesante) morisse e lasciasse in eredità il figlio (il J/ψ) qualche istante dopo.

L'Esperimento: La Festa della Multiplicità

La domanda chiave del paper è: Cosa succede quando la "festa" diventa più affollata?

In fisica delle particelle, "affollato" significa alta molteplicità: più particelle cariche vengono prodotte nello scontro.

• Bassa molteplicità: È una collisione "tranquilla", pochi ospiti.
• Alta molteplicità: È una collisione "esplosiva", piena di ospiti.

Gli scienziati hanno misurato quanti J/ψ vengono prodotti in queste due situazioni e hanno scoperto qualcosa di sorprendente: più la festa è affollata, più i messaggeri J/ψ appaiono, e non in modo lineare, ma in modo "esagerato".

Le Analogie per Capire il Risultato

1. La Regola del "Più del Raddoppio"

Immagina di avere un panino (il J/ψ). Se raddoppi la quantità di ingredienti (la molteplicità), ti aspetteresti di avere due panini.
Invece, in questo esperimento, raddoppiando gli ingredienti, ottieni tre o quattro panini.
Il rapporto tra il numero di J/ψ e il numero di altre particelle cresce più velocemente di quanto ci si aspetterebbe. È come se, più la cucina fosse affollata, più gli chef (le collisioni) diventassero efficienti nel creare questi panini speciali.

2. Guardare la Festa da diverse angolazioni (Le 3 Zone)

Per capire perché succede questo, gli scienziati non hanno guardato la festa tutta insieme. Hanno diviso la sala in tre zone rispetto alla direzione in cui vola il messaggero J/ψ:

• Zona "Verso" (Toward): Davanti al messaggero. Qui c'è tutto il "frastuono" della sua produzione (getti di particelle, radiazioni).
• Zona "Traversa" (Transverse): Ai lati. Qui si vede cosa succede "fuori" dal raggio diretto, il rumore di fondo della festa.
• Zona "Lontana" (Away): Dietro il messaggero.

La scoperta:

• Nella zona "Verso", l'aumento dei J/ψ è fortissimo. È come se il messaggero portasse con sé un'intera banda di musicisti: più è rumorosa la festa, più la banda suona forte.
• Nelle zone "Traversa" e "Lontana", l'aumento è più debole, quasi normale. Questo suggerisce che il "super-aumento" non è dovuto a una magia generale della sala, ma è legato direttamente a come viene prodotto il messaggero stesso.

3. Il Genitore e il Figlio (Prompt vs Non-Prompt)

Hanno confrontato i J/ψ "immediati" con quelli "ritardati" (figli di beauty).

• Risultato: Entrambi crescono allo stesso modo!
• Significato: Questo è importante perché suggerisce che il meccanismo che fa esplodere il numero di J/ψ nelle feste affollate funziona allo stesso modo sia per i figli che per i genitori. Non c'è una differenza fondamentale tra come nasce un J/ψ diretto o uno indiretto in queste condizioni.

Cosa dicono i Computer? (I Modelli Teorici)

Gli scienziati hanno usato dei "simulatori" (programmi come PYTHIA e EPOS) per provare a prevedere cosa sarebbe successo.

• PYTHIA (versione base): Ha fallito. Ha previsto un aumento troppo lento, come se non capisse quanto sia "esplosiva" la festa.
• PYTHIA (versione avanzata con "oniaShower"): Ha funzionato! Ha previsto correttamente l'aumento esagerato. Questo ci dice che per capire il fenomeno, dobbiamo considerare che la produzione di queste particelle è legata a un "getto" di energia che emette altre particelle (come un razzo che lascia una scia).
• EPOS: Ha avuto difficoltà a spiegare i dati, suggerendo che i nostri modelli attuali sulla materia densa non sono ancora perfetti.

Il Confronto con la "Salsa" (Il rapporto J/ψ / D0)

Hanno anche confrontato i J/ψ con un'altra particella chiamata D0 (un "cugino" fatto di quark charm).
Hanno guardato il rapporto tra loro in collisioni piccole (protoni) e grandi (nuclei di piombo).

• Risultato: Il rapporto è rimasto quasi lo stesso, anche se le collisioni erano molto diverse.
• Significato: Questo suggerisce che, anche nelle collisioni piccole e affollate, non stiamo creando un "brodo" di quark (come nel plasma di quark e gluoni delle collisioni enormi) che fonde e ricrea le particelle in modo diverso. Le regole sembrano essere le stesse, anche se la festa è più grande.

In Sintesi: Perché è importante?

Questo studio ci dice che quando facciamo scontrare particelle con molta energia:

1. La quantità conta: Più particelle produci, più ne produci di "speciali" (J/ψ), e lo fai in modo sproporzionato.
2. La direzione conta: Questo effetto è legato alla direzione in cui vola la particella, non è un effetto casuale della stanza.
3. La fisica è complessa: I modelli semplici non bastano; dobbiamo considerare come l'energia si riversa in "getti" di particelle.

È come se avessimo scoperto che, in una folla molto densa, non solo le persone si muovono di più, ma tendono a formare gruppi speciali che si muovono ancora più velocemente della media, e questo comportamento è intrinseco al modo in cui si sono formati quei gruppi.

Questo lavoro è un passo fondamentale per capire come la materia si comporta nelle condizioni più estreme dell'universo, simili a quelle dei primi istanti dopo il Big Bang.

Sommario tecnico

1. Il Problema e il Contesto Scientifico

Lo studio si inserisce nel contesto della fisica delle collisioni adroniche ad alta energia, con l'obiettivo di comprendere i meccanismi di produzione degli adroni contenenti quark pesanti (charm e beauty) e la loro evoluzione in funzione della molteplicità di particelle cariche prodotte.

• Oggetto di studio: I mesoni $J/\psi$ (stati legati di $c\bar{c}$). Questi possono essere prodotti direttamente nella collisione ("prompt") o derivare dal decadimento di adroni contenenti quark beauty ("non-prompt").
• La sfida: La produzione di quarkonia non è calcolabile dai primi principi della Cromodinamica Quantistica (QCD) perturbativa a causa della fase di adronizzazione, richiedendo modelli fenomenologici (es. ICEM, NRQCD).
• L'osservazione chiave: Esperimenti precedenti hanno mostrato un aumento "più che lineare" delle rese normalizzate di quarkonia all'aumentare della molteplicità in collisioni pp. Questo comportamento suggerisce un'interazione complessa tra processi "duri" (produzione di quark pesanti) e "morbidi" (produzione di particelle leggere), e solleva interrogativi sulla possibile esistenza di effetti di mezzo denso (simili al Plasma di Quark e Gluoni, QGP) anche in sistemi piccoli come le collisioni pp ad alta molteplicità.
• Obiettivo specifico: Misurare la dipendenza dalla molteplicità delle rese di $J/\psi$ prompt e non-prompt a rapidità centrale ($|y| < 0.9$) e analizzare come questa dipendenza cambi in diverse regioni azimutali rispetto alla direzione di emissione del $J/\psi$, per distinguere tra autocorrelazioni e proprietà intrinseche dell'evento.

2. Metodologia Sperimentale

I dati sono stati raccolti con il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider (LHC) durante la Run 2, in collisioni pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Campioni di dati: Sono stati utilizzati tre trigger:
  • Minimum Bias (MB): Per eventi inelastici standard.
  • High Multiplicity (HM): Seleziona il 0.1% degli eventi con la massima molteplicità misurata dal rivelatore V0.
  • TRD (Transition Radiation Detector): Per migliorare l'identificazione degli elettroni ad alto $p_T$.
• Ricostruzione: I $J/\psi$ sono ricostruiti attraverso il canale di decadimento in dielettroni ($e^+e^-$) nel "barile centrale" (ITS e TPC).
• Separazione Prompt/Non-prompt:
  • I $J/\psi$ non-prompt provengono dal decadimento debole di adroni B, che hanno un tempo di vita sufficiente per creare un vertice secondario spostato dal vertice primario (ordine di centinaia di micrometri).
  • È stato utilizzato un algoritmo Boosted Decision Tree (BDT) addestrato su variabili come la distanza di massimo avvicinamento (DCA), la mappa dei hit nel SPD e la lunghezza di decadimento pseudo-propria, per separare statisticamente i componenti prompt e non-prompt dal fondo.
• Stima della Molteplicità:
  • La molteplicità di particelle cariche ($N_{ch}$) è misurata in $|\eta| < 0.9$.
  • Per analizzare le correlazioni, la molteplicità è stata suddivisa in tre regioni azimutali rispetto al $J/\psi$:
    1. Toward (Verso): $|\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| < \pi/3$.
    2. Transverse (Trasversale): $\pi/3 < |\Delta\phi| < 2\pi/3$.
    3. Away (Lontano): $|\Delta\phi| > 2\pi/3$.
• Normalizzazione: Le rese sono normalizzate al loro valore medio negli eventi inelastici (classe INEL>0) per ottenere le "rese auto-normalizzate".
• Correzioni: Sono state applicate correzioni per l'efficienza di trigger, la ricostruzione delle tracce, l'unfolding della distribuzione di molteplicità e l'effetto di autocorrelazione (inclusione delle figlie del $J/\psi$ nel conteggio della molteplicità).

3. Risultati Chiave

A. Rese Auto-Normalizzate e Dipendenza dalla Molteplicità

• Sia per i $J/\psi$ prompt che non-prompt, le rese auto-normalizzate mostrano un aumento più che lineare rispetto alla molteplicità auto-normalizzata.
• Questo comportamento è simile per entrambi i componenti, suggerendo che i meccanismi di produzione sono correlati alla densità dell'evento.
• L'aumento è più marcato a valori più alti di $p_T$ del $J/\psi$.

B. Analisi nelle Regioni Azimutali

• Regione Toward: L'aumento delle rese è il più forte. Questo è attribuito principalmente alle autocorrelazioni: le particelle prodotte nello stesso processo (es. getti associati o decadimenti della stessa madre) contribuiscono sia alla produzione del $J/\psi$ che alla molteplicità misurata in quella direzione.
• Regioni Transverse e Away: L'aumento è più debole rispetto alla regione Toward, ma rimane superiore alla linearità. Questo indica che l'effetto non è dovuto solo alle autocorrelazioni locali, ma riflette proprietà globali dell'evento o correlazioni tra la scala dura (produzione di quark pesanti) e la scala morbida (attività di fondo).
• Bias del Trigger HM: È stato osservato un forte bias del trigger ad alta molteplicità nelle regioni trasverse e lontane, che tende a sovrastimare la molteplicità associata a eventi con getti multipli.

C. Frazione Non-Prompt ($f_B$)

• La frazione di $J/\psi$ provenienti dal decadimento di beauty ($f_B$) mostra un lieve aumento con la molteplicità, sebbene con incertezze significative.
• I modelli PYTHIA 8 (con diversi "tune" come Monash, CR-BLC mode 2 e oniaShower) e EPOS4HQ sono stati confrontati con i dati.
  • PYTHIA: Il tune Monash sottostima le rese prompt ad alta molteplicità. L'attivazione del processo oniaShower (produzione di quarkonia nello shower di partoni) è necessaria per riprodurre l'aumento osservato. Per i non-prompt, Monash riproduce bene la tendenza.
  • EPOS4: Sovrastima le rese prompt e sottostima quelle non-prompt ad alta molteplicità. L'evoluzione idrodinamica nel core dell'evento migliora la descrizione delle correlazioni nella regione Toward ad alta molteplicità.
  • Modelli CGC: I modelli basati sul Condensato di Vetro di Colore (CGC) descrivono parzialmente i dati, ma non riescono a riprodurre le correlazioni in tutti gli intervalli di $p_T$.

D. Rapporto $J/\psi / D^0$

• È stato misurato il rapporto tra le rese di $J/\psi$ prompt e $D^0$ prompt in funzione della molteplicità.
• Il rapporto appare costante entro le grandi incertezze nelle collisioni pp (sia INEL>0 che HM) e nelle collisioni p-Pb.
• Nelle collisioni Pb-Pb centrali, il rapporto aumenta, in accordo con il Modello di Adronizzazione Statistica (SHMc), suggerendo una ricombinazione di quark $c$ e $\bar{c}$ non correlati nel mezzo denso.
• Conclusione sul rapporto: Non ci sono evidenze conclusive di una ricombinazione significativa di $J/\psi$ nelle collisioni pp ad alta molteplicità, nonostante le grandi incertezze.

4. Contributi e Significatività

• Separazione Prompt/Non-prompt: Questo lavoro fornisce una delle misurazioni più complete della dipendenza dalla molteplicità separando esplicitamente le componenti prompt e non-prompt, permettendo di studiare l'effetto della massa del quark (charm vs beauty) sui meccanismi di adronizzazione.
• Ruolo delle Autocorrelazioni: Lo studio conferma che le autocorrelazioni giocano un ruolo cruciale nell'aumento delle rese, specialmente nella regione "Toward". Tuttavia, l'osservazione di un aumento (sebbene più debole) anche nelle regioni trasverse e lontane suggerisce che esistono meccanismi fisici reali legati alla densità dell'evento che influenzano la produzione di quark pesanti.
• Test dei Modelli Teorici: I risultati pongono vincoli stringenti sui modelli di simulazione. La necessità del processo oniaShower in PYTHIA per descrivere i dati prompt indica l'importanza delle correzioni di ordine superiore e della produzione di quarkonia all'interno degli shower di partoni.
• Implicazioni per il QGP: Sebbene non si osservi una chiara evidenza di ricombinazione (regenerazione) nelle collisioni pp come nei Pb-Pb, l'aumento più che lineare delle rese e la possibile modifica dei rapporti baryone/mesone suggeriscono che effetti collettivi o di mezzo denso potrebbero essere presenti anche in sistemi piccoli ad alta molteplicità.

In sintesi, questo studio conferma la complessa interazione tra processi duri e morbidi nelle collisioni pp ad alta energia e sottolinea la necessità di modelli teorici avanzati che includano effetti di showering, riconnessione di stringhe e potenzialmente dinamiche di tipo idrodinamico per descrivere correttamente la produzione di quarkonia in funzione della molteplicità.