Observation of centrality-dependent dijet transverse momentum imbalance in O+O and Ne+Ne collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.36 TeV with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Osservazione dello squilibrio del momento trasverso dei dijet dipendente dalla centralità in collisioni O+O e Ne+Ne

Problema e Motivazione
Un obiettivo primario del programma per gli ioni pesanti al Large Hadron Collider (LHC) è caratterizzare il plasma di quark e gluoni (QGP), uno stato deconfinato della materia fortemente interagente. I jet ad alto momento trasverso ($p_T$) fungono da potenti sonde di questo mezzo, subendo lo "spegnimento dei jet" (jet quenching) — una riduzione dell'energia del jet e una ridistribuzione dell'energia ad angoli ampi — mentre attraversano il QGP. Sebbene l'evidenza per la perdita di energia dipendente dalla lunghezza del percorso sia stata stabilita nelle collisioni piombo-piombo (Pb+Pb) non centrali, l'interpretazione di tali effetti nei sistemi più piccoli rimane problematica. Nelle collisioni protone-nucleo, prove univoche di jet quenching sono state elusive, e nelle collisioni periferiche Pb+Pb, le fluttuazioni nelle configurazioni iniziali dei nucleoni complicano la determinazione delle lunghezze di percorso effettive.

Le collisioni di ioni leggeri, specificamente Ossigeno-Ossigeno (O+O) e Neon-Neon (Ne+Ne), offrono un nuovo regime per investigare questi fenomeni. Questi sistemi possiedono un'estensione trasversa sostanzialmente minore rispetto alle collisioni Pb+Pb, risultando in lunghezze di percorso nel mezzo (in-medium path lengths) sensibilmente più brevi (circa un fattore due più piccole). Inoltre, le collisioni centrali di ioni leggeri forniscono una geometria di sovrapposizione più simmetrica rispetto alle interazioni periferiche Pb+Pb, riducendo potenzialmente le incertezze geometriche associate all'interpretazione degli effetti dipendenti dalla lunghezza del percorso. Recenti misurazioni hanno indicato un comportamento collettivo nelle collisioni O+O e Ne+Ne, suggerendo la formazione di QGP, eppure le sonde dure (come i jet) non hanno ancora dimostrato in modo definitivo effetti indotti dal mezzo in questi piccoli sistemi. Una sfida chiave nei piccoli sistemi è il "bias di centralità", dove le correlazioni tra la produzione di processi duri e l'evento sottostante (underlying event) soffice, utilizzato per definire la centralità, possono distorcere le misurazioni basate sulle rese assolute.

Metodologia
La Collaborazione ATLAS ha analizzato i dati raccolti nel 2025 a un'energia di centro di massa nucleon-nucleone di $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV. Il dataset comprende:

• $8,0 \text{ nb}^{-1}$ di collisioni O+O.
• $1,0 \text{ nb}^{-1}$ di collisioni Ne+Ne.
• $386 \text{ pb}^{-1}$ di collisioni protone-protone ($pp$) alla stessa energia, che fungono da riferimento.

Selezione degli Eventi e Centralità:
Gli eventi sono stati selezionati utilizzando trigger minimum-bias e jet. Gli intervalli di centralità (0–10%, 10–20%, 20–40%, 40–60%, e 60–80%) sono stati definiti sulla base dell'energia trasversa totale ($\Sigma E_T^{FCal}$) misurata nei calorimetri anteriori ATLAS (FCal), mappata sulla sezione d'urto anelastica tramite un modello Monte Carlo Glauber. Gli eventi di pileup sono stati rigorosamente soppressi richiedendo un singolo vertice ricostruito di alta qualità e utilizzando le correlazioni tra l'energia dello Zero Degree Calorimeter (ZDC) e $\Sigma E_T^{FCal}$.

Ricostruzione dei Jet e Osservabile:
I jet sono stati ricostruiti utilizzando l'algoritmo anti-$k_t$ con un parametro di raggio $R=0,4$ entro $|y| < 2,1$. L'analisi si è concentrata sulle coppie di dijet dove i jet leader ($p_{T1}$) e sub-leader ($p_{T2}$) sono quasi back-to-back in azimut ($\Delta\phi > 7\pi/8$). L'osservabile principale è lo squilibrio del momento trasverso dei dijet, $x_J$:
$$x_J = \frac{p_{T2}}{p_{T1}}$$
dove $0,32 < x_J < 1$ e $63 < p_{T1} < 251$ GeV.

Tecniche di Analisi:
Per mitigare il bias di centralità e la dipendenza dalle rese assolute, l'analisi ha utilizzato distribuzioni "auto-normalizzate", definite come $\frac{1}{N_{pair}} \frac{dN_{pair}}{dx_J}$. Questo approccio normalizza la distribuzione all'area unitaria, rendendola meno sensibile ai bias di selezione e alle incertezze nelle funzioni di distribuzione partonica nucleonica (nPDF).

• Sottrazione del Background: Una procedura di sottrazione del background evento per evento ha stimato la densità di energia trasversa dell'evento sottostante ($\rho$). Le coppie di jet non correlate sono state stimate utilizzando un metodo sideband in $\Delta\phi$ e sottratte.
• Unfolding: Gli effetti del detector, inclusi la scala dell'energia del jet (JES), la risoluzione dell'energia del jet (JER) e le inefficienze di ricostruzione, sono stati corretti utilizzando una procedura di unfolding bayesiana iterativa. È stata eseguita una doppia scomposizione (unfolding) per tenere conto della migrazione tra i bin e dell'interscambio dell'ordine dei jet leader/sub-leader.
• Sistematica: Le incertezze sono state valutate per JES, JER, sottrazione del background combinatorio e il prior dell'unfolding. L'incertezza sistematica totale è rimasta generalmente al di sotto del 10–15% per la maggior parte dei bin di $x_J$.

Risultati Chiave
Le distribuzioni di $x_J$ auto-normalizzate misurate nelle collisioni O+O e Ne+Ne mostrano una chiara dipendenza dalla centralità rispetto al riferimento $pp$:

1. Tendenza della Centralità: Man mano che le collisioni diventano più centrali (aumento dell'attività dell'evento), le distribuzioni di $x_J$ mostrano deviazioni via via maggiori dal baseline $pp$. Nello specifico, si osserva un aumento del contributo relativo di dijet con valori di $x_J$ inferiori (che indica un maggiore squilibrio di energia).
2. Significatività Statistica: La deviazione dall'ipotesi nulla (nessuna modifica, ovvero rapporto = 1) è stata quantificata tramite un test $\chi^2$.
   • Nelle collisioni O+O, sono state osservate modifiche significative ($>5\sigma$) negli intervalli di centralità 0–10% e 10–20%, che persistono fino all'intervallo 20–40%. La significatività ha raggiunto i $10,2\sigma$ nel bin di centralità 0–10% per $79 < p_{T1} \le 89$ GeV.
   • Nelle collisioni Ne+Ne, sono state osservate modifiche significative negli intervalli di centralità 0–10% e 10–20%, con una significatività di $8,9\sigma$ nel bin 0–10% per lo stesso intervallo di $p_{T1}$.
   • Le modifiche non sono state statisticamente significative nelle collisioni più periferiche (40–60% e 60–80%) per entrambi i sistemi.
3. Dipendenza dall'Energia: La modifica rimane significativa nelle collisioni O+O (Ne+Ne) fino a un $p_{T1}$ del jet leader di circa 141 GeV (126 GeV) nelle collisioni più centrali.
4. Confronto Teorico:
   • Le modifiche osservate sono incompatibili con le previsioni basate esclusivamente su nPDF (effetti di isospin e nPDF, usando i set EPPS21 e CT18), che prevedono deviazioni inferiori al 4% dall'unità.
   • I confronti con i modelli Hybrid e Jewel+Trajectum mostrano che, sebbene entrambi prevedano una modifica nelle collisioni centrali O+O, il modello Hybrid generalmente sottostima l'entità dell'effetto, mentre Jewel+Trajectum lo sovrastima. L'inclusione degli scattering di Molière nel modello Hybrid ha prodotto solo variazioni minori.
5. Confronto della Dimensione del Sistema: Quando confrontate con le collisioni periferiche Pb+Pb (centralità 60–80%) accoppiate per attività dell'evento, le modifiche di $x_J$ nelle collisioni centrali di O+O e Ne+Ne risultano comparabili.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma che questi risultati costituiscono un'osservazione dello squilibrio del momento trasverso dei dijet dipendente dalla centralità in collisioni O+O e Ne+Ne. I risultati dimostrano che lo spegnimento dei jet indotto dal mezzo persiste in sistemi di collisione considerevolmente più piccoli rispetto a Pb+Pb e Xe+Xe.

La significatività di questo lavoro risiede nel:

• Stabilire un Nuovo Regime: Estende lo studio del jet quenching ai droplet di plasma di quark e gluoni più piccoli accessibili all'LHC.
• Dipendenza dalla Lunghezza del Percorso: Fornisce nuovi vincoli sull'inizio e sulla dipendenza dalla lunghezza del percorso del jet quenching, utilizzando un sistema con una geometria più simmetrica per ridurre le incertezze geometriche.
• Robustezza: Utilizzando distribuzioni auto-normalizzate, la misurazione vincola esplicitamente gli effetti di bias di centralità e i bias di selezione dell'attività dell'evento che complicano le interpretazioni nei piccoli sistemi.

Gli autori concludono che le modifiche osservate sono qualitativamente simili a quelle nelle collisioni nucleo-nucleo, ma avvengono in un regime in cui gli effetti di configurazione iniziale sono meglio controllati, rafforzando così la tesi della formazione di un mezzo simile al QGP nelle collisioni di ioni leggeri.