Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

LHCb 実験による 8.16 TeV の pPb 衝突データを用いた解析により、$\psi(2S)$ と $J/\psi$ の生成比が衝突の多重度に依存して変化する現象が観測され、特に Pb 進行方向ではクォーク・グルーオンプラズマの形成など、コモバー効果を超えた新たな抑制メカニズムの存在が示唆された。

要約

この論文は、CERN（欧州原子核研究機構）の LHCb 実験チームが、2026 年に発表した非常に興味深い研究成果です。

一言で言うと、**「小さな衝突（陽子と鉛の衝突）でも、巨大な衝突（鉛と鉛の衝突）で見られるような『クォーク・グルーオンプラズマ（QGP）』という特殊な状態が、特定の条件で生まれているかもしれない」**という発見です。

専門用語を排して、わかりやすい例え話で解説しましょう。

1. 実験の舞台：「粒子の暴れん坊」

まず、実験の舞台は巨大な粒子加速器「LHC」です。ここでは、陽子（プロトン）と鉛（Pb）の原子核を、光の速さ近くまで加速してぶつけ合っています。

• pPb 衝突（プロトン→鉛）： 小さなボール（陽子）が、大きな壁（鉛）にぶつかるイメージ。
• Pbp 衝突（鉛→プロトン）： 大きな壁（鉛）が、小さなボール（陽子）にぶつかるイメージ。

実は、この「どちらが先か（どちらが進行方向か）」によって、結果が全く異なるのです。

2. 観測対象：「二つの兄弟」

実験では、衝突によって生まれる「チャロニウム」と呼ばれる粒子の兄弟に注目しました。

• J/ψ（ジェイ・プサイ）： しっかりした「弟」。少し丈夫で、壊れにくい。
• ψ(2S)（プサイ・ツーエス）： 甘えん坊な「兄」。結合が緩く、少しの衝撃で壊れやすい。

この「壊れやすい兄」と「丈夫な弟」の比率を調べることで、衝突の現場がどれほど過酷だったかを推測します。

3. 発見の核心：「混雑度」による変化

実験では、衝突の瞬間にどれだけ多くの粒子が飛び散ったか（多重度、つまり「混雑度」）を測りました。

【シチュエーション A：pPb 衝突（陽子が先）】

• 状況： 小さなボールが大きな壁にぶつかる。
• 結果： 混雑度が高くなる（粒子が大量に飛び散る）と、「壊れやすい兄（ψ(2S)）」の数が、相対的に減ってしまいました。
• 意味： 混雑した現場では、壊れやすい兄が「共行者（コンオーバー）」と呼ばれる周囲の粒子に邪魔されて、壊れてしまったようです。これは、これまでの理論（冷たい核物質効果）で説明がつく範囲です。

【シチュエーション B：Pbp 衝突（鉛が先）】

• 状況： 大きな壁が小さなボールにぶつかる。
• 結果： ここが驚きです。混雑度が高くなっても、「壊れやすい兄」の減少傾向が見られませんでした。 逆に、J/ψ（弟）の方が相対的に減ったように見えました。
• 意味： これは「共行者」だけでは説明がつかない現象です。

4. 比喩で理解する「QGP の可能性」

ここで、**「お風呂」**に例えてみましょう。

• 通常の衝突（pPb）： お風呂に人が少し入っている状態。誰かが入浴中に、他の人がぶつかって転倒する（共行者効果）。壊れやすい兄が転倒しやすいのは当然です。
• 今回の発見（Pbp）： お風呂が**「超高温の湯」**に変わってしまった状態です。
  • 鉛原子核が先頭を切って衝突すると、そのエネルギー密度があまりにも高く、お湯が一瞬で**「クォーク・グルーオンプラズマ（QGP）」**という、物質が溶けた「超高温のドロドロの液体」になってしまいます。
  • この「超高温の液体」の中では、壊れやすい兄（ψ(2S)）だけでなく、丈夫な弟（J/ψ）も溶けてしまう（抑制される）可能性があります。
  • しかし、今回のデータは「兄が特別に減らない（あるいは弟が特別に減る）」という、**「小さなシステム（陽子 - 鉛衝突）でも、巨大なシステム（鉛 - 鉛衝突）で見られるような『超高温の液体（QGP）』の兆候が見えた」**ことを示唆しています。

5. なぜこれが重要なのか？

これまで、QGP（クォーク・グルーオンプラズマ）は、巨大な原子核同士をぶつける「鉛 - 鉛衝突」のような、**「大きなシステム」**でしか作れないと考えられていました。

しかし、この研究は**「小さなシステム（陽子と鉛の衝突）でも、特定の条件（鉛が先頭の場合）を満たせば、QGP のような状態が生まれているかもしれない」**と示しています。

• 小さな世界と大きな世界の橋渡し： 粒子の衝突が「小さくても、条件次第で巨大な現象が起きる」という、自然界の新しい側面を明らかにしました。
• 宇宙の謎へのヒント： ビッグバン直後の宇宙は、この QGP という状態だったと言われています。小さな衝突でその状態を再現・研究できる可能性は、宇宙の成り立ちを理解する上で非常に重要です。

まとめ

この論文は、**「陽子と鉛をぶつける実験で、鉛が先頭を切って衝突したとき、小さな衝突なのに『超高温の物質の海（QGP）』が生まれているかもしれない」**という、驚くべき証拠を見つけました。

「壊れやすい兄（ψ(2S)）」の生存率を調べるという、非常に繊細な計測によって、**「小さな衝突でも、宇宙初期のような激しい現象が起きている」**という、物理学の常識を揺るがす可能性を示唆した画期的な研究です。

技術概要

以下は、CERN の LHCb 実験 collaboration による論文「Measurement of ψ(2S) to J/ψ cross-section ratio as function of multiplicity in pPb collisions at √sNN = 8.16 TeV」の技術的な要約です。

1. 研究の背景と課題 (Problem)

高エネルギー重イオン衝突において、クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の形成は、チャームニウム（c$\bar{c}$対）の生成抑制を通じて探査されてきました。特に、励起状態（ψ(2S)）は基底状態（J/ψ）よりも結合が緩いため、QGP 中のド・バイ・スクリーニング（Debye screening）や共動粒子（comovers）との相互作用により、より強く抑制されると予想されています。

しかし、QGP の形成が期待される大きな系（PbPb 衝突）と、QGP 形成が一般的には想定されていない小さな系（pp 衝突）の中間にある「陽子 - 鉛（pPb）衝突」における現象は依然として議論の的となっています。

• 課題: 小さな衝突系（pPb）においても、高多重度事象で QGP 的な効果が形成されているのか、あるいは単なる冷たい核物質効果（CNM）や共動粒子効果のみで説明できるのかを明確にする必要があります。
• 目的: 陽子ビームと鉛ビームの衝突方向（p-going と Pb-going）の違い、および事象多重度（multiplicity）に対する依存性を詳細に調べることで、チャームニウム抑制のメカニズムを解明し、小さな系から大きな系への遷移を理解すること。

2. 手法とデータ (Methodology)

• データ: LHCb 実験により 2016 年に収集されたデータを使用。
  • 衝突エネルギー：$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV
  • 積分ルミノシティ：pPb 衝突で 13.6 nb$^{-1}$、Pbp 衝突（陽子が後ろ向き）で 20.8 nb$^{-1}$。
• 検出器: LHCb 検出器（前方スペクトロメータ、$2 < \eta < 5$）。
• 解析対象:
  • $\psi(2S)$ と $J/\psi$ メソンのディミューオン崩壊チャネル（$\mu^+\mu^-$）。
  • Prompt（直接生成）と Non-prompt（b ハドロン崩壊由来）の分離: 擬似崩壊時間（pseudo-decay time, $t_z$）の分布を用いて、直接生成されたチャームニウムと、b ハドロンから生じた二次的なチャームニウムを統計的に分離。
• 観測量:
  • $\psi(2S)$ と $J/\psi$ の断面積比（$\sigma_{\psi(2S)} / \sigma_{J/\psi}$）を事象多重度（$N_{PV}^{tracks}$, $N_{PV}^{fwd}$, $N_{PV}^{bwd}$）の関数として測定。
  • 多重度変数は、衝突点（PV）近傍の荷電粒子軌道数、前方（forward）、後方（backward）の領域で定義され、核物質密度の代理指標として用いられた。
• 解析手法:
  • 質量（$m_{\mu\mu}$）と $t_z$ の 2 次元分布に対する拡張された unbinned 最大尤度フィットにより信号抽出。
  • 検出器の受容度や選択効率をシミュレーション（Pythia, Epos, Geant4）とデータ駆動手法（sPlot 技術など）で補正。
  • 系統誤差の評価（PID 効率、追跡効率、トリガ効率、フィットモデルなど）。

3. 主要な結果 (Key Results)

1. Prompt 生成の多重度依存性（pPb 衝突）:

   • p-going 方向（陽子側）: 事象多重度が増加するにつれて、$\psi(2S)/J/\psi$ の比が明確に減少する傾向が観測された。これは、共動粒子効果や QGP ドロplets による熱的媒体効果の理論予測と一致する。
   • Pb-going 方向（鉛側）: 同様の明確な減少傾向は見られず、比は多重度に依存しない（一定）とみなせる。
   • 非対称性: p-going 方向と Pb-going 方向で明確な前後非対称性（forward-backward asymmetry）が確認された。

2. Non-prompt 生成:

   • 両方の衝突構成（pPb, Pbp）において、b ハドロン崩壊由来の非直接生成チャームニウムの比は、多重度に依存しないことが確認された。これは、b ハドロン生成の多重度依存性が比において相殺されるため期待される挙動である。

3. Pbp 衝突（逆方向）の結果:

   • 陽子が後ろ向き（Pbp）の衝突では、Prompt 生成の比も多重度依存性を示さなかった。これは、より高いバリオン密度を持つ Pb-going 方向の環境が、PbPb 衝突（大きな系）に近い振る舞いを示唆している。

4. 他の実験との比較:

   • pPb の p-going 方向の結果は pp 衝突の結果と類似している。
   • Pbp 衝突（Pb-going 方向）の結果は、ALICE 実験による PbPb 衝突の結果（$\psi(2S)$ の強い抑制）と類似しており、小さな系であっても特定の条件（高バリオン密度）下では QGP 的な効果が現れる可能性を示唆。

4. 結論と意義 (Significance)

• QGP 形成の証拠: 本研究は、小さな衝突系（pPb）であっても、衝突の方向性（Pb-going 方向）と高多重度条件において、共動粒子効果を超えた追加の抑制メカニズム（おそらく QGP 的な効果）が存在する可能性を強く示唆している。
• 系サイズへの遷移: pPb 衝突における前後非対称性は、小さな系（pp, pPb の p-going）から大きな系（PbPb, Pbp の Pb-going）への物理的遷移の存在を浮き彫りにした。
• 理論への示唆: 励起状態（$\psi(2S)$）の抑制パターンは、核物質効果だけでなく、高温高密度環境での QGP ドロplets 形成の探査プローブとして極めて有効であることを実証した。

この研究は、高エネルギー核物理において「小さな系」における QGP 的な現象の理解を深め、核物質の相図や QCD の非摂動領域におけるダイナミクス解明に重要な貢献を果たすものである。