Measurement of coherent exclusive $J/\psi\to\mu^+\mu^-$ production in ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\textrm{NN}}}=5.36$ TeV with the ATLAS detector

De ATLAS-experimenten hebben een meting uitgevoerd van coherente exclusieve $J/\psi$-productie in ultraperifere Pb+Pb-botsingen bij 5,36 TeV, waarbij de resultaten ondanks overeenstemming met theoretische voorspellingen in spanning blijken te staan met eerdere metingen uit Run 2 in het centrale rapiditeitsgebied.

De kern

De Koffiebonen van het Heelal: Hoe ATLAS de Geheime Krachten van de Aarde Meet

Stel je voor dat je twee enorme, zware vrachtwagens (de loodkernen) hebt die je met bijna de snelheid van het licht op elkaar af laat rijden. Normaal gesproken, als je ze laat botsen, zou het een enorme explosie zijn: een chaos van puin, vonken en een vuurzee. Maar in dit experiment, gedaan door de ATLAS-collaboratie bij CERN, deden ze iets heel anders. Ze lieten de vrachtwagens elkaar net missen.

Ze reden zo dicht langs elkaar dat ze elkaar niet raakten, maar wel zo dichtbij kwamen dat de enorme elektromagnetische velden (zoals een onzichtbare krachtveld) van de ene vrachtwagen de andere raakten. Dit noemen ze een "ultraperifere botsing". Het is alsof je twee magneten heel snel langs elkaar haalt: ze raken elkaar niet, maar ze voelen elkaar wel sterk aan.

Het Experiment: Een Spookachtige Dans

In deze "missende botsing" gebeurt er iets magisch. De krachtvelden van de loodkernen gedragen zich als een stortvloed van onzichtbare lichtdeeltjes (fotonen). Soms botst zo'n foton tegen de andere loodkern aan. Het resultaat? Er ontstaat een heel zwaar deeltje, een J/ψ-meson (spreek uit als "J-psi").

Dit deeltje is als een tijdelijke, onstabiele bloem die direct weer uit elkaar valt in twee andere deeltjes: een muon en een antimuon. Muonen zijn een beetje zoals elektronen, maar dan zwaarder en kunnen diep in de aarde doordringen.

De wetenschappers van ATLAS wilden precies meten: Hoe vaak gebeurt dit? En waar in de ruimte gebeurt het precies?

De Uitdaging: De "Zachte" Muonen

Hier wordt het lastig. De muonen die uit deze J/ψ-deeltjes komen, zijn heel traag en hebben weinig energie. Ze zijn als "slaperige" deeltjes.

• Normaal gesproken gebruikt ATLAS speciale muon-detectoren aan de buitenkant van zijn detector om deze deeltjes te zien.
• Maar deze specifieke muonen zijn zo traag dat ze al in de binnenste lagen van de detector (de "calorimeters") vastlopen en stoppen. Ze bereiken de buitenkant nooit!

Het was alsof je probeert een vlinder te vangen met een enorm net, maar de vlinder valt al in het midden van het net en komt er nooit uit. De standaard methoden werkten dus niet.

De Oplossing: Een Nieuw Net (De TRT)

Om deze "slaperige" muonen toch te vangen, gebruikten de wetenschappers een heel slimme truc. Ze gebruikten een speciaal onderdeel van de detector genaamd de TRT (Transition Radiation Tracker).

• Stel je de TRT voor als een gigantisch honkbalveld vol met duizenden dunne rietjes (straw tubes).
• Normaal gesproken wordt dit gebruikt om snelle elektronen te zien. Maar voor dit experiment hebben ze het systeem aangepast.
• Ze stelden de "trigger" (de alarmbel die zegt: "Hey, er gebeurt iets!") heel gevoelig in. Zelfs als er maar één of twee van die trage deeltjes door de rietjes flitsen, gaat het alarm af.

Dit was een grote uitdaging, want in een loodbotsing is er vaak veel "ruis" (andere deeltjes). Het was alsof je probeert een fluisterend gesprek te horen in een drukke fabriekshal. De ATLAS-team moest heel slim filteren om alleen de juiste signalen te houden.

Wat Vonden Ze?

Na het verzamelen van data in 2023 (ongeveer 79 micro-barns, wat klinkt als een heel klein stukje, maar in deeltjesfysica is dat een enorme hoeveelheid botsingen), hebben ze de volgende dingen ontdekt:

1. Het Spel van de Schatten: Ze maten hoe vaak deze J/ψ-deeltjes werden gemaakt op verschillende afstanden van het centrum van de botsing (rapidity). Ze vonden dat de hoeveelheid deeltjes overeenkwam met wat theorieën voorspellen over hoe "dicht" de quarks en gluonen (de bouwstenen van de atoomkern) in lood zitten. Het is alsof je door een muur kijkt om te zien hoe de bakstenen eruitzien zonder de muur af te breken.
2. Een Verrassende Verschil: Toen ze hun resultaten vergeleken met eerdere metingen van andere experimenten (zoals ALICE en CMS) die net iets langzamer botsten, zagen ze een interessant verschil. In het midden van de botsing (waar de "vlinders" het vaakst vliegen) waren hun resultaten iets anders dan die van ALICE.
   • De Analogie: Stel je voor dat twee teams proberen te tellen hoeveel vogels er in een bos vliegen. Team A telt ze met een telescoop, Team B met een verrekijker. Ze zien ongeveer hetzelfde aantal, maar Team A ziet er iets minder dan Team B in het midden van het bos.
   • De ATLAS-wetenschappers denken dat dit komt omdat er soms extra, onzichtbare deeltjesparen worden gemaakt die de "exclusiviteit" van het experiment verstoren. Het is alsof er soms een extra vogel in de buurt vliegt die niet direct bij de J/ψ hoort, maar wel de telling verstoort.

Waarom Is Dit Belangrijk?

Dit onderzoek helpt ons om te begrijpen hoe materie zich gedraagt onder extreme omstandigheden. Het is een manier om te kijken naar de "gluon-schaduwen" in atoomkernen.

• Gluon-schaduwen: Stel je voor dat je naar een groep mensen kijkt die dicht op elkaar staan. Als je van ver kijkt, zie je ze als één grote massa. Als je dichterbij komt, zie je individuele mensen. In deze botsingen kijken de wetenschappers naar hoe de "schaduwen" van de deeltjes in de loodkern elkaar overlappen. Dit helpt ons te begrijpen hoe de kern van een atoom eruitziet en hoe het universum in zijn vroegste momenten (net na de Big Bang) eruitzag.

Conclusie

Kortom: De ATLAS-wetenschappers hebben een heel slimme manier gevonden om trage, onzichtbare deeltjes te vangen in een chaos van botsende loodkernen. Ze hebben bewezen dat ze de "spookachtige dans" van deeltjes kunnen volgen, zelfs als die deeltjes niet tot aan de buitenkant van hun detector komen. Hoewel ze het grootste deel van hun theorieën bevestigd hebben, blijft er een klein raadsel over in het midden van de botsing, wat betekent dat er nog meer te ontdekken valt in de wereld van de subatomaire deeltjes.

Het is een mooi voorbeeld van hoe wetenschappers, net als detectives, soms de slimste methoden moeten bedenken om het onzichtbare zichtbaar te maken.

Technische samenvatting

Titel

Meting van coherente exclusieve $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ productie in ultraperifere Pb+Pb botsingen bij $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV met de ATLAS-detector.

1. Het Probleem en de Context

In ultra-relativistische zware-ionenbotsingen genereren de volledig gestripte ionen enorme elektromagnetische velden die kunnen worden beschreven als fluxen van equivalente fotonen (Weizsäcker-Williams-benadering). Bij grote impactparameters (ultraperifere botsingen of UPC's) worden hadronische processen onderdrukt en domineren foton-geïnduceerde reacties.

• Fysisch doel: Exclusieve diffractieve fotoproductie van zware vectormesonen (zoals de $J/\psi$) biedt een unieke manier om de ruimtelijke en impulsstructuur van nucleonen en kernen te onderzoeken. Het proces is gevoelig voor de gluon-dichtheidsfunctie (nPDF) van de kern.
• Uitdaging: Bij lage Bjorken-$x$ waarden worden kern-PDF's onderdrukt door "nuclear shadowing" en mogelijk "parton saturation". Echter, de interpretatie van coherente $J/\psi$-productie is complex omdat er significante annuleringen optreden tussen loodrecht (LO) en volgend-orde (NLO) gluon-bijdragen, waardoor quark-bijdragen dominant worden.
• Experimentele gap: Eerdere metingen door ALICE, CMS en LHCb tijdens Run 2 ($\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV) dekten specifieke rapiditeitsgebieden. Er ontbrak echter een meting in het gebied $0.8 < |y| < 1.6$ en er was behoefte aan een onafhankelijke meting bij een iets hogere botsingsenergie ($5.36$ TeV in Run 3) om theorieën te toetsen.

2. Methodologie

De analyse is uitgevoerd met data van het ATLAS-experiment op de LHC, opgenomen in 2023 tijdens Pb+Pb-botsingen.

• Data en Trigger:

  • Gebruikte geïntegreerde luminositeit: $79 \, \mu\text{b}^{-1}$.
  • Unieke Trigger-strategie: Omdat de muonen uit $J/\psi$-verval zeer zacht zijn (maximale $p_T$ net boven $1.5$ GeV) en hun energie volledig verliezen in het calorimetermateriaal voordat ze de muon-spectrometer bereiken, kon de standaard muon-trigger niet worden gebruikt. In plaats daarvan werd een dedicated Level-1 (L1) trigger gebruikt die gebaseerd is op het Transition Radiation Tracker (TRT). De TRT "FastOR" trigger detecteert doorgang van lage-$p_T$ sporen via een logische OR van snelle elektronische signalen in de strobuizen.
  • De trigger vereiste een TRT-signaal en een totale transversale energie ($E_T$) in het calorimeter van $< 20$ GeV om hadronische botsingen uit te sluiten.

• Signaalselectie:

  • Exact twee tegengesteld geladen sporen met $p_T > 100$ MeV en $|\eta| < 2.5$.
  • De invariantmassa van het sporenpaar moet liggen in het bereik $2.9 < m_{\mu^+\mu^-} < 3.2$ GeV.
  • De transversale impuls van het paar ($p_T^{\mu^+\mu^-}$) moet $< 0.2$ GeV zijn, wat kenmerkend is voor coherente productie (waarbij de hele kern als doelwit optreedt).
  • Er werden geen specifieke muon-identificatiecriteria toegepast; de massa-reconstructie baseerde zich op de muon-massahypothese voor de sporen.

• Achtergrondschatting en Yield-extractie:

  • Achtergronden: De belangrijkste achtergronden zijn $\gamma\gamma \to \ell^+\ell^-$, $J/\psi \to e^+e^-$ (waarbij elektronen door materiaalinteracties een verbrede massapek vertonen), incoherente $J/\psi$-productie, en feed-down van $\psi(2S)$.
  • Fit-strategie:
    1. Massa-fit: Een fit van het invariantmassaspectrum ($2.5 - 3.5$ GeV) om de bijdragen van $J/\psi \to \mu^+\mu^-$, $J/\psi \to e^+e^-$ en het niet-resonante $\gamma\gamma$-continuum te scheiden.
    2. $p_T$-fit: Vervolgens worden de $p_T$-spectra van de geselecteerde gebeurtenissen gefit met MC-sjablonen (STARlight) om coherente en incoherente $J/\psi$-componenten van elkaar te scheiden. Coherente productie heeft een scherpe piek bij lage $p_T$, terwijl incoherente productie een bredere verdeling heeft.

• Correcties:

  • Efficiëntie- en acceptatiecorrecties ($\epsilon_C$ en $A$) werden bepaald met Monte Carlo (STARlight + Pythia 8).
  • De trigger-efficiëntie werd gemeten met een onafhankelijke ZDC (Zero Degree Calorimeter) trigger en toegepast als schaalfactoren (SF) op de MC-data.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste ATLAS-meting: Dit is de eerste meting van coherente exclusieve $J/\psi$-productie door de ATLAS-collaboratie in UPC's.
• Nieuwe Trigger-techniek: Het succesvol toepassen van de TRT FastOR-trigger voor zachte muonen in zware-ionenrunnen, een techniek die eerder voornamelijk voor kosmische straling werd gebruikt.
• Gedetailleerde achtergrondanalyse: Een robuuste methode om de complexe achtergronden (vooral $\psi(2S)$ feed-down en $\gamma\gamma$-processen) te modelleren en te scheiden, inclusief een analyse van de correlatie tussen $J/\psi$ en $\rho^0$ productie om exclusiviteitscriteria te valideren.
• Vergelijking Run 2 vs Run 3: Het paper extrapoleert de resultaten naar $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV om een directe vergelijking te maken met eerdere ALICE, CMS en LHCb-resultaten.

4. Resultaten

• Differentiële doorsnede: De differentiële doorsnede $d\sigma/dy$ is gemeten voor het rapiditeitsgebied $|y| < 2.5$.
• Theoretische Vergelijking:
  • De data worden het beste beschreven door berekeningen op basis van het kleur-dipoolmodel (Color Dipole), zoals BGK, GBW en IIM parameterisaties.
  • De resultaten tonen een significante kernonderdrukking (shadowing) bij mid-rapidity. De verhouding van de gemeten doorsnede tot de impulsbenadering (IA) modelvoorspelling is $S^2_{Pb}(|y|<0.5) = 0.57 \pm 0.04$.
• Vergelijking met andere experimenten (na extrapolatie naar 5.02 TeV):
  • Bij voorwaartse rapiditeit ($1.5 < |y| < 2.5$) stemmen de resultaten goed overeen met eerdere metingen van ALICE, CMS en LHCb.
  • Spanning bij mid-rapidity: Er is een significante spanning (tension) gevonden met de eerdere ALICE-metingen in het centrale rapiditeitsgebied ($0 < |y| < 1$). De ATLAS-meting ligt lager dan de ALICE-resultaten.
  • Oorzaak van spanning: De auteurs suggereren dat dit verschil mogelijk te wijten is aan de selectiecriteria voor exclusiviteit. Extra deeltjesparen (zoals zachte $e^+e^-$ paren of $\pi^+\pi^-$ paren van $\rho^0$-verval) die geproduceerd worden in dezelfde UPC-botsing, kunnen door de ALICE-forward-counters worden gedetecteerd en leiden tot het verwerpen van signaalevenementen. ATLAS, met zijn beperkte acceptantie voor zeer zachte deeltjes in het voorwaartse gebied, is minder gevoelig voor deze extra activiteit.

5. Betekenis en Conclusie

Deze meting bevestigt de kracht van coherente vectormeson-productie als een sonde voor gluon-dichtheid en saturatie-effecten in zware kernen. De resultaten ondersteunen theorieën die partonsaturatie en kleur-dipool-interacties omvatten.

De waargenomen spanning met eerdere ALICE-resultaten in het centrale gebied is een cruciale bevinding. Het benadrukt de complexiteit van het definiëren van "exclusiviteit" in UPC's en suggereert dat verschillen in detectoracceptantie en trigger-strategieën voor extra zachte deeltjes een grote invloed kunnen hebben op de gemeten doorsneden. Dit onderstreept de noodzaak van verdere studies naar de impact van gelijktijdige UPC-interacties op de selectie van zeldzame processen.

Samenvattend biedt deze analyse een waardevolle nieuwe datapunt bij een hogere energie en een onafhankelijke verificatie van de fysica van ultraperifere botsingen, terwijl het ook nieuwe vragen opwerpt over de systematische verschillen tussen experimenten in de meting van exclusieve toestanden.