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

De LHCb-experimenten hebben de verhouding tussen de productiekruisdoorsneden van $\psi(2S)$ en $J/\psi$ gemeten als functie van de multipliciteit in $p$Pb-botsingen bij 8,16 TeV, waarbij een multipliciteitsafhankelijkheid voor prompte productie in de Pb-richting werd waargenomen die wijst op onderdrukkingmechanismen die mogelijk verband houden met de vorming van quark-gluonplasma.

De kern

Deelname aan het CERN: Een reis door de deeltjeswereld

Stel je voor dat je een gigantische, superkrachtige deeltjesversneller hebt, de LHC, waar atoomkernen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar worden gegooid. Het doel? Kijken wat er gebeurt als je materie onder extreme druk en hitte zet.

Deze specifieke paper van het LHCb-team (een onderdeel van CERN) is als het ware een fotoreportage van een heel specifiek experiment: het laten botsen van een proton (een klein deeltje) met een loodkern (een zware, dichte klomp atomen). Ze kijken hierbij naar een heel specifiek fenomeen: hoe twee soorten zware deeltjes, de J/ψ en de ψ(2S), zich gedragen tijdens deze botsing.

Hier is de uitleg in gewone mensentaal, met een paar creatieve vergelijkingen:

1. De twee deeltjes: De "Strakke Bal" en de "Losse Bal"

In deze botsing ontstaan er twee soorten "charmonium"-deeltjes (de J/ψ en de ψ(2S)).

• De J/ψ is als een strakke, stevige tennisbal. Hij is moeilijk te breken; hij zit goed in elkaar.
• De ψ(2S) is als een losse, opgeblazen ballon. Hij is veel kwetsbaarder en valt makkelijker uit elkaar als er iets tegen aan stoot.

In de natuurkunde weten we dat de "losse ballon" (ψ(2S)) gevoeliger is voor verstoringen dan de "strakke bal" (J/ψ).

2. Het Experiment: Twee richtingen, twee werelden

De LHCb-detectoren kijken naar botsingen in twee richtingen:

• pPb: Het proton schiet naar voren (naar de detector toe), en het lood komt erachteraan.
• Pbp: Het lood schiet naar voren, en het proton komt erachteraan.

Dit is belangrijk omdat de "dichtheid" van de botsing anders is. Als het lood naar voren schiet, is er aan die kant een enorme "drukte" van deeltjes (een dichte massa). Als het proton naar voren schiet, is het aan die kant wat rustiger.

3. De Vraag: Wat gebeurt er als het drukker wordt?

De wetenschappers keken naar de verhouding tussen de twee deeltjes. Ze stelden zich de vraag: "Als we de botsing steeds 'drukker' maken (meer deeltjes in het spel), wat gebeurt er dan met de verhouding tussen de strakke bal en de losse ballon?"

Ze keken naar twee soorten deeltjes:

• Prompt: De deeltjes die direct bij de botsing ontstaan (zoals een schokgolf).
• Non-prompt: De deeltjes die later ontstaan uit het verval van nog zwaardere deeltjes (zoals een restje dat later loskomt).

4. De Verassende Resultaten: De "Kwark-Gluon Plasma" theorie

Hier wordt het spannend. De resultaten waren niet overal hetzelfde:

• In de rustige richting (Proton naar voren):
  Als de botsing drukker werd, bleef de verhouding tussen de strakke bal en de losse ballon vrijwel hetzelfde. De losse ballon werd niet extra veel vernietigd. Dit gedraagt zich zoals we in kleine botsingen (proton-proton) al kennen.

• In de drukke richting (Lood naar voren):
  Hier gebeurde er iets raars. Naarmate de botsing drukker werd, daalde de hoeveelheid "losse ballonnen" (ψ(2S)) veel sneller dan de "strakke ballonnen" (J/ψ).
  De losse ballonnen werden massaal vernietigd.

De Analogie:
Stel je voor dat je een feestje hebt.

• In een kleine kamer (proton-richting) kunnen mensen (deeltjes) tegen elkaar aanlopen, maar als je de kamer voller maakt, blijft de sfeer redelijk normaal. De kwetsbare gasten (ψ(2S)) blijven nog wel aanwezig.
• In een grote, overvolle zaal (lood-richting) wordt het zo druk dat er een soort "smeer" ontstaat. De kwetsbare gasten (ψ(2S)) worden hierdoor direct "opgelost" of verdwijnen, terwijl de sterke gasten (J/ψ) nog wel standhouden.

5. Wat betekent dit? (De "Kleine" QGP)

De wetenschappers concluderen dat in de drukke richting (waar het lood naar voren schiet) er iets anders aan de hand is dan alleen maar "deeltjes tegen elkaar aan laten lopen".

Ze denken dat er een klein, kortstondig druppeltje van "Quark-Gluon Plasma" (QGP) is gevormd.

• QGP is een staat van materie die net na de Oerknal bestond: een soep van vrije deeltjes. Normaal denken we dat dit alleen in enorme botsingen (zoals lood tegen lood) ontstaat.
• Maar deze paper suggereert: "Kijk, zelfs in een kleine botsing (proton tegen lood) kan er, als het druk genoeg is, een mini-QGP ontstaan!"

Dit mini-plasma is heet en dicht genoeg om de kwetsbare ψ(2S)-deeltjes te vernietigen, maar niet de stevige J/ψ's.

Samenvatting in één zin

Deze paper laat zien dat als je een proton tegen lood laat botsen in de "drukte" van het lood, er een mini-variant van het oer-heelal (QGP) ontstaat dat de kwetsbare deeltjes oplost, terwijl dit in de rustige richting niet gebeurt.

Het is alsof we ontdekten dat je zelfs in een kleine badkuip (een kleine botsing) een tsunami kunt veroorzaken, als je maar hard genoeg stoot. Dit helpt ons te begrijpen hoe materie zich gedraagt onder extreme omstandigheden, van de kleinste botsingen tot de grootste sterrenstelsels.

Technische samenvatting

Probleemstelling en Context

Het onderzoek richt zich op het begrijpen van de productie van zware quarkoniumtoestanden (specifiek charmonia zoals $J/\psi$ en $\psi(2S)$) in proton-kern (pA) botsingen. Hoewel de vorming van een Quark-Gluon Plasma (QGP) traditioneel wordt geassocieerd met zware ionenbotsingen (zoals PbPb), suggereren recente waarnemingen dat er in kleine systemen (zoals pPb) bij hoge multipliciteit mogelijk ook QGP-achtige effecten kunnen optreden.

Het centrale probleem is het onderscheid maken tussen "koude kernmaterie-effecten" (zoals gluonverzadiging en parton-energieverlies) en "hete medium-effecten" (zoals Debye-scherming in een QGP). Excited states zoals $\psi(2S)$ zijn losser gebonden dan grondtoestanden zoals $J/\psi$ en worden daarom gevoeliger geacht voor dissociatie door interacties met het medium. De verhouding van de productiekruisdoorsneden ($\sigma_{\psi(2S)} / \sigma_{J/\psi}$) fungeert als een gevoelige sonde voor deze onderdrukking. De vraag is of deze verhouding afhangt van de multipliciteit van geladen deeltjes in de botsing, wat zou wijzen op een overgang van kleine naar grote botsingssystemen.

Methodologie

De analyse gebruikt data verzameld door het LHCb-experiment tijdens proton-lood (pPb) en lood-proton (Pbp) botsingen bij een zwaartepuntsenergie van $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV (data uit 2016).

• Datamateriaal: De geïntegreerde luminositeit bedraagt $13.6 \text{ nb}^{-1}$ voor pPb en $20.8 \text{ nb}^{-1}$ voor Pbp.
• Detectie: De deeltjes worden gereconstrueerd via hun vervallijn in twee muonen ($\mu^+\mu^-$) in het voorwaartse (pPb) en achterwaartse (Pbp) snelheidsgebied van LHCb ($1.5 < y^* < 4.0$ en $-5.0 < y^* < -2.5$).
• Scheiding van bronnen: Er wordt onderscheid gemaakt tussen:
  • Prompte productie: Directe productie in de harde botsing.
  • Niet-prompte productie: Productie via het verval van $b$-hadronen.
• Multipliciteitsmeting: De analyse gebruikt verschillende variabelen voor de geladen-deeltjesmultipliciteit ($N_{tracks}^{PV}$, $N_{fwd}^{PV}$, $N_{bwd}^{PV}$) om de dichtheid van de kernmateriaal te kwantificeren. De analyse wordt uitgevoerd als functie van de genormaliseerde multipliciteit.
• Analyse-techniek:
  • Een uitgebreide tweedimensionale ongebinned maximum-likelihood fit wordt toegepast op de invariant-massa ($m_{\mu\mu}$) en de pseudovervaltijd ($t_z$) verdelingen.
  • De $t_z$-verdeling is cruciaal om prompte (snel, $t_z \approx 0$) van niet-prompte (vertraagd door $b$-levensduur) deeltjes te scheiden.
  • De kruisdoorsnede-verhouding wordt genormaliseerd om initiële staten-effecten te cancelen en systematische fouten te minimaliseren.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste meting van multipliciteitsafhankelijkheid in beide richtingen: Voor het eerst wordt de verhouding $\psi(2S)/J/\psi$ systematisch onderzocht als functie van de multipliciteit in zowel de pPb- als de Pbp-configuratie, wat een directe vergelijking mogelijk maakt tussen de proton-richting en de lood-richting.
2. Onderscheid tussen prompte en niet-prompte bronnen: De studie isoleert de effecten op direct geproduceerde charmonia versus die afkomstig van $b$-hadronverval, wat essentieel is voor het begrijpen van de onderliggende dynamica.
3. Kwantificering van asymmetrie: Het paper levert kwantitatieve bewijzen voor een sterke voorwaartse-achterwaartse asymmetrie in de onderdrukking van $\psi(2S)$, afhankelijk van de richting van de loodstraal ten opzichte van de detector.

Resultaten

De resultaten tonen duidelijke verschillen tussen de twee botsingsconfiguraties:

• pPb-configuratie (Proton naar detector, Lood weg):

  • Er wordt een duidelijke afname waargenomen in de verhouding van prompte $\psi(2S)$ tot $J/\psi$ naarmate de multipliciteit toeneemt.
  • De lineaire fit geeft een steile negatieve helling ($p_1 = -0.281 \pm 0.057$) met een zeer lage p-waarde ($5 \times 10^{-6}$), wat de hypothese van een constante verhouding sterk verwerpt.
  • Dit suggereert dat in de richting van het lood (waar de baryon-dichtheid het hoogst is) extra onderdrukkingsmechanismen actief zijn.
  • Niet-prompte productie toont geen significante afhankelijkheid van de multipliciteit.

• Pbp-configuratie (Lood naar detector, Proton weg):

  • In tegenstelling tot pPb, toont de prompte verhouding geen significante afhankelijkheid van de multipliciteit. De data is consistent met een constante verhouding.
  • Dit is opmerkelijk omdat de Pbp-configuratie een hogere gemiddelde multipliciteit heeft dan pPb, maar toch geen extra onderdrukking van $\psi(2S)$ vertoont.

• Vergelijking met andere systemen:

  • De resultaten in pPb (proton-richting) lijken op die in pp-botsingen, wat suggereert dat "comover"-effecten (interacties met andere geproduceerde deeltjes) hier de dominante onderdrukkingsmechanisme zijn.
  • De resultaten in Pbp (lood-richting) vertonen een gedrag dat meer lijkt op PbPb-botsingen (waar QGP wordt verwacht), maar dan in een kleiner systeem. De afwezigheid van multipliciteitsafhankelijkheid in Pbp, ondanks de hoge dichtheid, suggereert dat de onderdrukking hier al "verzadigd" is of dat andere mechanismen (zoals QGP-vorming) een rol spelen die anders zijn dan in pPb.

Betekenis en Conclusie

De studie biedt cruciale inzichten in de overgang van kleine naar grote botsingssystemen:

1. Aanwijzingen voor QGP in kleine systemen: De waargenomen extra onderdrukking van $\psi(2S)$ in de pPb-configuratie (Pb-richting) kan niet volledig worden verklaard door koude kernmaterie-effecten of comover-interacties alleen. Dit suggereert de mogelijke vorming van kleine, kortlevende druppels Quark-Gluon Plasma (QGP) in proton-lood botsingen.
2. Asymmetrie als sleutel: De sterke voorwaartse-achterwaartse asymmetrie benadrukt dat de omgeving waarin het charmonium wordt geproduceerd (de "final state") kritiek is. De lood-richting creëert een omgeving die fundamenteel verschilt van de proton-richting, zelfs in kleine systemen.
3. Bevestiging van theoretische modellen: De resultaten ondersteunen theorieën die voorspellen dat de onderdrukking van losser gebonden toestanden ($\psi(2S)$) een gevoelige sonde is voor de vorming van een heet medium, zelfs in botsingen die traditioneel niet als QGP-generatoren worden beschouwd.

Kortom, dit paper bevestigt dat de onderdrukking van charmonia in proton-kern botsingen complex is en sterk afhankelijk is van de geometrie van de botsing, wat nieuwe perspectieven opent voor het begrijpen van de eigenschappen van kernmaterie onder extreme omstandigheden.