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Correlations between $\ensuremath{\mit{\Upsilon}(n\text{S})}\xspace$ production and the underlying event in $\ensuremath{p\!p}\xspace$ collisions with the ATLAS detector

Utilizzando 139 fb $^{-1}$ di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV, l'esperimento ATLAS investiga le correlazioni tra la produzione di $\Upsilon(n\text{S})$ duri e l'evento sottostante, rivelando che le molteplicità di particelle cariche associate sono sistematicamente inferiori per gli stati eccitati $\Upsilon$ (2S) e $\Upsilon$ (3S) rispetto allo stato fondamentale a basso momento trasverso, con questa differenza che diminuisce all'aumentare del momento.

Autore originale: Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

Pubblicato 2026-11-11

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CC BY 4.0

Autore originale: Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

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Nel cuore dell'universo, la materia è costruita da minuscole particelle fondamentali che sfrecciano a velocità incredibili. Quando gli scienziati fanno scontrare i protoni tra loro quasi alla velocità della luce, creano un'esplosione caotica di energia dove queste particelle si disperdono e interagiscono. A volte, questa collisione è così violenta da creare brevemente una zuppa calda e densa di quark e gluoni in movimento libero, i mattoni fondamentali di protoni e neutroni. Questo stato della materia, noto come plasma di quark e gluoni, si pensava esistesse solo nelle massicce collisioni di pesanti nuclei atomici, come l'oro o il piombo. Tuttavia, osservazioni recenti suggeriscono che persino nelle collisioni più piccole tra singoli protoni, tracce di questa esotica zuppa potrebbero apparire. Per capire come ciò accada, i fisici studiano l'"evento sottostante" (underlying event), ovvero il chiacchiericcio di fondo delle particelle prodotte insieme alla collisione principale. Osservando come si comportano queste particelle di fondo quando vengono create specifiche particelle pesanti, i ricercatori possono apprendere come il nucleo violento di una collisione influenzi l'ambiente circostante più calmo.

Un ricercatore che utilizza il rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider ha esaminato questo problema con una nuova prospettiva, concentrandosi su una specifica famiglia di particelle pesanti chiamata bottomonio. Queste particelle sono composte da un quark bottom e dal suo partner di antimateria, e si presentano in tre versioni distinte che differiscono per massa e per quanto siano strettamente legate tra loro. Lo scienziato ha esaminato quasi 140 trilioni di collisioni di protoni a un livello di energia di 13 trilioni di elettronvolt. Ha identificato eventi in cui una particella di bottomonio veniva creata e ha poi contato con cura il numero di altre particelle cariche che apparivano nella stessa collisione. Ha eseguito questa operazione separatamente per le tre diverse versioni della particella di bottomonio, trattando ciascuna come un'etichetta unica per vedere se l'ambiente circostante cambiasse a seconda di quale versione venisse formata.

I risultati hanno rivelato un modello chiaro e sorprendente. Quando veniva creata la versione più leggera e stabile della particella di bottomonio, la collisione produceva un numero significativamente più elevato di particelle cariche accompagnatrici. Al contrario, quando venivano formate le versioni più pesanti ed eccitate, il numero di particelle circostanti diminuiva sensibilmente. Nelle collisioni con il momento lineare più basso, gli eventi che producevano la versione più pesante avevano circa il 17 percento in meno di particelle cariche rispetto a quelli che producevano la versione più leggera. Questa differenza non era casuale; era un trend costante che rimaneva valido in tutto il set di dati. All'aumentare del momento lineare della particella di bottomonio, il divario tra le diverse versioni si restringeva, ma le versioni più pesanti producevano comunque costantemente meno particelle di fondo rispetto alla versione più leggera.

Questa scoperta mette in discussione gli attuali modelli che i fisici utilizzano per simulare queste collisioni. Il ricercatore ha confrontato i suoi dati del mondo reale con le previsioni di un programma di simulazione al computer ampiamente utilizzato. La simulazione suggeriva che tutte e tre le versioni del bottomonio dovrebbero essere accompagnate da un numero approssimativamente uguale di particelle di fondo, indipendentemente dalla loro massa o energia. La simulazione non è riuscita a riprodurre la gerarchia osservata dallo scienziato. Anche quando il ricercatore ha regolato la simulazione per tenere conto di diversi modi in cui le particelle potrebbero riconnettersi o decadere, la discrepanza è rimasta. Ciò indica che la nostra attuale comprensione di come le particelle pesanti si formino e interagiscano con l'ambiente circostante è incompleta.

Lo studio ha anche esaminato come queste particelle siano distribuite nello spazio rispetto alla collisione principale. La differenza nel conteggio delle particelle non era solo il risultato del fatto che le particelle principali si bilanciassero in uno spruzzo simile a un getto (jet). Invece, le particelle mancanti sembravano provenire dal fondo più morbido e diffuso dell'evento. Ciò suggerisce che la formazione degli stati di bottomonio più pesanti ed eccitati riesca in qualche modo a sopprimere la produzione di altre particelle nell'area circostante. Il ricercatore conclude che il modo in cui queste particelle pesanti nascono è intimamente legato all'attività dell'intera collisione, e che lo stato specifico della particella pesante funge da sonda sensibile delle forze complesse in gioco. Queste misurazioni forniscono un test nuovo e rigoroso per le teorie che descrivono come la materia si comporta in queste condizioni estreme, puntando verso una connessione più profonda tra la creazione di particelle pesanti e la dinamica sottostante e "morbida" della collisione.

Sintesi Tecnica: Correlazioni tra la produzione di $\Upsilon(nS)$ e l'evento sottostante nelle collisioni $pp$

Definizione del problema
Recenti osservazioni presso l'LHC e il RHIC suggeriscono che i piccoli sistemi di collisione, come le collisioni protone-protone ($pp$), possano esibire firme simili a quelle del plasma di quark e gluoni (QGP), tipicamente associato a sistemi più grandi. Sebbene siano state note firme di tipo QGP nel settore "soft", rimangono vincoli sulla perdita di energia partonica nel settore "hard". Una questione critica aperta riguarda l'interazione tra i processi di scattering hard e la dinamica della QCD soft, specificamente le correlazioni tra la produzione di particelle hard e soft. Precedenti misurazioni condotte dalla Collaborazione CMS hanno indicato una diminuzione della produzione relativa degli stati eccitati $\Upsilon(nS)$ all'aumentare della molteplicità delle particelle cariche. Questo articolo affronta la prospettiva inversa: utilizzare lo stato $\Upsilon(nS)$ come sonda hard per caratterizzare l'attività di particelle cariche associata (l'evento sottostante, o UE) e determinare se la formazione di diversi stati di bottomonium sia correlata a distinti ambienti adronici soft.

Metodologia
L'analisi utilizza l'intero dataset Run 2 $pp$ raccolto dal rivelatore ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 139 fb $^{-1}$ . Gli eventi con una media di 50 o più interazioni simultanee sono stati esclusi, risultando in un pile-up medio di circa 33,7.

Selezione degli eventi: I candidati $\Upsilon(nS)$ sono stati ricostruiti tramite il canale di decadimento dimuonico ( $\Upsilon \to \mu^+\mu^-$ ). Per i muoni è richiesto un $p_T > 4$ GeV e $|\eta| < 2,4$ . Sono state selezionate coppie di muoni con carica opposta all'interno di un intervallo di massa invariante di $8,2 < m_{\mu\mu} < 11,8$ GeV e $|y_{\mu\mu}| < 1,6$ .
Selezione delle particelle cariche: Le particelle cariche primarie sono state selezionate con $0,5 < p_T < 10$ GeV e $|\eta| < 2,5$ . Le tracce dovevano trovarsi entro 0,5 mm (trasversale) e 0,75 mm (longitudinale) dal vertice primario. Le tracce dei muoni che formano il candidato $\Upsilon$ sono state escluse dalle osservabili delle particelle cariche.
Estrazione del segnale: A causa della sovrapposizione dei tre picchi $\Upsilon(nS)$ e del fondo dimuonico regolare, l'analisi ha misurato le distribuzioni delle particelle cariche in cinque intervalli di massa (tre regioni di segnale e due sideband). È stato eseguito un fit in ogni intervallo di $p_T^{\mu\mu}$ utilizzando tre componenti di segnale (modellizzate con funzioni Crystal Ball e Gaussiane) e un fondo polinomiale di terzo grado.
Correzioni: L'accettanza del rivelatore, l'efficienza di ricostruzione e quella di trigger sono state corrette tramite simulazione (Pythia 8 con tune A14 e PDF CTEQ6L1) e fattori di scala derivati dai dati. I contributi del pile-up sono stati stimati e sottratti utilizzando una procedura sviluppata per le misurazioni dell'UE con tag $Z$ di ATLAS.

Contributi chiave e risultati
Lo studio ha misurato la molteplicità, l'impulso trasverso ( $p_T$ ) e la separazione azimutale ( $\Delta\phi$ ) delle particelle cariche associate ai mesoni $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ in funzione del impulso trasverso dell' $\Upsilon$ ( $p_T^{\mu\mu}$ ).

Gerarchia di molteplicità: È stata osservata una distinta gerarchia nell'attività delle particelle cariche. Nell'intervallo di $p_T^{\mu\mu}$ più basso misurato, gli eventi contenenti mesoni $\Upsilon(1S)$ hanno esibito una molteplicità media di particelle cariche di $29,5 \pm 0,7$ . Al contrario, gli eventi $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ hanno mostrato molteplicità sistematicamente inferiori, ridotte rispettivamente di $3,6 \pm 0,4$ e $4,9 \pm 1,1$ particelle. Ciò corrisponde a riduzioni relative del $12 \pm 1\%$ e del $17 \pm 4\%$ rispetto al campione $\Upsilon(1S)$ .
Dipendenza da $p_T$ : La differenza in molteplicità tra lo stato fondamentale ( $\Upsilon(1S)$ ) e gli stati eccitati ( $\Upsilon(2S)$ , $\Upsilon(3S)$ ) diminuisce all'aumentare di $p_T^{\mu\mu}$ , ma rimane positiva in tutto l'intervallo misurato.
Distribuzioni cinematiche: Le distribuzioni del momento trasverso e azimutale sottratte indicano che le differenze osservate non sono guidate esclusivamente dall'attività di jet che bilancia il momento dell' $\Upsilon$ . Le distribuzioni $\Delta\phi$ sottratte rimangono positive intorno a $\Delta\phi = \pm\pi/2$ , suggerendo una componente soft sostanziale nelle differenze tra gli stati.
Confronto con i modelli: Le previsioni di Pythia 8, sia con che senza contributi di feed-down da stati di bottomonium superiori (ad esempio, decadimenti di $\chi_b$ ), non sono riuscite a riprodurre la gerarchia osservata. Il modello ha previsto molteplicità molto simili per tutti e tre gli stati. Anche la variazione dello schema di riconnessione del colore non è riuscita a risolvere la discrepanza.

Significatività
L'articolo afferma che la gerarchia di molteplicità osservata fornisce un forte vincolo sulla modellizzazione della produzione di bottomonium e sulla sua correlazione con l'attività dell'evento soft circostante. Nello specifico, i dati indicano che gli eventi che producono stati eccitati di bottomonium sono accompagnati da un'attività di particelle cariche sistematicamente inferiore rispetto a quelli che producono stati fondamentali, con l'effetto più pronunciato a basso $p_T^{\mu\mu}$ .

L'autore conclude che la dipendenza dello stato osservata nell'attività delle particelle cariche, particolarmente al basso impulso trasverso, motiva ulteriori studi sulla relazione tra la produzione di bottomonium e l'ambiente adronico nelle collisioni $pp$ ad alta molteplicità. I risultati sfidano i modelli Monte Carlo esistenti (specificamente Pythia 8) a descrivere meglio l'interazione tra la formazione di quarkonium e la dinamica della QCD soft.

Sintesi Tecnica: Correlazioni tra la produzione di Υ(nS)\Upsilon(nS)Υ(nS) e l'evento sottostante nelle collisioni $pp$

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