Inclusive $ψ(2S)$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Dit artikel presenteert voor het eerst de meting van de inclusieve productie van $\psi(2S)$-mesonen bij midrapidity in pp-botsingen bij $\sqrt{s} = 13$ TeV met de ALICE-detector, waarbij de dwarsdoorsnede en de verhouding tot J/$\psi$-productie worden bepaald en vergeleken met theoretische voorspellingen.

De kern

🏗️ Deeltjesbouwers: Een kijkje in de ALICE-fabriek

Stel je voor dat het LHC (Large Hadron Collider) bij CERN een gigantische, supersnelle deeltjes-autoscooterbaan is. Twee auto's (protonen) rijden met bijna de lichtsnelheid op elkaar af en botsen. Bij die klap ontstaan er duizenden nieuwe, heel korte levensdeeltjes.

De ALICE-detector is als een gigantische, supergevoelige camera die rondom die botsing staat. Deze camera probeert niet alleen te zien wat er gebeurt, maar ook om specifieke, zeldzame "schatten" te vinden die uit die puinhoop rollen.

💎 De schatten: J/ψ en ψ(2S)

In deze botsingen worden er zware deeltjes gemaakt die we charmonia noemen. Je kunt je dit voorstellen als twee zware zwaartekrachtskluizen (een charm-quark en een anti-charm-quark) die aan elkaar gebonden zijn.

• De J/ψ is de "standaardversie": een stabielere, zwaardere kluizen.
• De ψ(2S) is de "sportversie" of de "opgeblazen versie": hij is iets groter, iets minder stabiel en veel zeldzamer.

Vroeger was het heel moeilijk om de ψ(2S) te zien, vooral als hij niet heel hard vloog. Het was alsof je in een storm probeerde een klein, glimmend muntje te vinden tussen duizenden andere muntjes.

🎯 Het nieuwe experiment: De "Laser-jager"

In dit paper vertellen de wetenschappers van ALICE dat ze voor het eerst de ψ(2S) hebben gevonden op een plek waar ze dat nog nooit hadden gedaan: midden in de botsing (bij "midrapidity") en bij lagere snelheden (vanaf 4 GeV/c).

Hoe hebben ze dit gedaan?
Stel je voor dat je in een drukke stad op zoek bent naar een specifieke persoon. Je kunt wachten tot iedereen langskomt (dat is de "normale trigger"), maar dan duurt het eeuwen.
In plaats daarvan hebben ze een laserjager gebruikt: de Transition Radiation Detector (TRD).

• Deze laser jager schreeuwt: "Stop! Ik zie een elektron met een hoge snelheid!"
• Hierdoor kon de camera veel vaker foto's maken van precies die interessante botsingen.
• Het resultaat: Ze hebben een enorme stapel foto's verzameld (1,7 pb⁻¹ aan data) en daarin de ψ(2S) gevonden, zelfs wanneer deze niet razendsnel vloog.

⚖️ De verhouding: Hoeveel sportversies zijn er?

De wetenschappers keken niet alleen naar het aantal ψ(2S)-deeltjes, maar stelden ook de vraag: "Hoeveel ψ(2S) zijn er vergeleken met de standaard J/ψ?"

• De theorie: Er zijn twee grote theorieën over hoe deze deeltjes ontstaan:

  1. NRQCD: Een complexe theorie die zegt dat de deeltjes op een specifieke manier "gekit" worden, met verschillende kleuren en krachten.
  2. ICEM: Een theorie die zegt dat het een beetje als een "smeltkroes" is; als de deeltjes maar langzaam genoeg bewegen, smelten ze vanzelf samen tot een ψ(2S).

• De ontdekking:
  De ALICE-wetenschappers zagen iets interessants: naarmate de ψ(2S) iets harder vloog (hogere snelheid), werd de verhouding tussen de sportversie (ψ(2S)) en de standaardversie (J/ψ) iets groter.

  • Analogie: Stel je een bakkerij voor. Als de oven heet is (hoge snelheid), bakken ze niet alleen de standaardbroden (J/ψ), maar ook steeds meer van die speciale, zeldzame taarten (ψ(2S)).

🧪 Wat zeggen de theorieën?

Toen ze hun resultaten vergelijkingen met de computersimulaties:

1. NRQCD: Deze theorie klopte perfect! De voorspelling van de wetenschappers over hoe de verhouding veranderde, paste precies bij de foto's die ALICE nam.
2. ICEM: Deze theorie voorspelde dat de verhouding vrijwel hetzelfde zou blijven, ongeacht de snelheid. De data toonde echter aan dat de verhouding wel degelijk toenam. De ICEM-theorie had hier moeite mee.

🏁 Conclusie: Waarom is dit belangrijk?

Dit onderzoek is als het vinden van een nieuw stukje in een gigantische puzzel.

• We weten nu beter hoe zware deeltjes ontstaan in de "ruwe" wereld van proton-botsingen.
• Het bewijst dat de NRQCD-theorie (die rekening houdt met complexe kwantumkleuren) het goed doet, zelfs bij lagere snelheden.
• Het helpt ons te begrijpen hoe de "soep" van deeltjes in de vroege Oerkracht (net na de Big Bang) eruit zag.

Kortom: Met een slimme "laserjager" hebben we een zeldzame deeltjes-soort gevonden die ons vertelt dat de natuurkunde-regels die we bedachten, echt kloppen. De sportversie van het deeltje is net iets populairder bij hogere snelheden dan we eerst dachten!

Technische samenvatting

1. Probleemstelling en Motivatie

Het paper richt zich op het meten van de productie van charmonium-toestanden, specifiek het $\psi(2S)$-meson, in proton-proton (pp) botsingen bij een middelpuntsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV. Hoewel de productie van het grondtoestand-meson $J/\psi$ al uitvoerig is bestudeerd, zijn metingen van het aangeslagen $\psi(2S)$-toestand bij midrapidity ($|y| < 0.9$) en bij lage transversale impulsen ($p_T$) beperkt.

De belangrijkste wetenschappelijke uitdagingen zijn:

• Theoretische onzekerheid: Het begrijpen van de niet-perturbatieve hadronisatie van zware quarkparen ($c\bar{c}$) naar quarkonia. Modellen zoals het Kleur Singlet Model (CSM), Non-Relativistic Quantum Chromodynamics (NRQCD) en het Color Evaporation Model (CEM) maken verschillende voorspellingen over productiemechanismen en polarisatie.
• Universiteit van fragmentatie: Er is onlangs geconstateerd dat de hadronisatie van open zware smaak (zoals charm-baryonen) afhangt van het botsingsmilieu, wat de hypothese van universele fragmentatiefracties in twijfel trekt. Het meten van quarkonium-ratio's helpt om te testen of deze universaliteit ook geldt voor gebonden toestanden.
• Data-gaten: Bestaande metingen van $\psi(2S)$ bij midrapidity door CMS en ATLAS waren beperkt tot hogere $p_T$ waarden ($>6.5$ of $>10$ GeV/c). Er was behoefte aan data bij lagere $p_T$ om het spectrum volledig te karakteriseren en te vergelijken met theorieën die voorspellen dat het verhoudingsgetal tussen $\psi(2S)$ en $J/\psi$ kan variëren met $p_T$.

2. Methodologie

De meting is uitgevoerd met de ALICE-detector tijdens Run 2 van de LHC (2017-2018).

• Data-selectie en Trigger:

  • In plaats van de gebruikelijke Minimum Bias (MB) trigger, gebruikte ALICE een Level-1 trigger van de Transition Radiation Detector (TRD). Deze trigger selecteerde gebeurtenissen met een enkel elektron of positron met een $p_T$-drempel van 2 GeV/c.
  • Dit resulteerde in een aanzienlijke verrijking van gebeurtenissen met quarkonium-vervallen (een versterkingsfactor van ongeveer 34 ten opzichte van MB-data).
  • Het geanalyseerde geïntegreerde lichtsterkte bedroeg $1.7 \pm 1.8\%$ (syst.) pb$^{-1}$.

• Reconstructie:

  • $\psi(2S)$ en $J/\psi$ mesonen werden gereconstrueerd via hun vervallen naar elektron-positron paren ($e^+e^-$).
  • Sporen werden gereconstrueerd met de Inner Tracking System (ITS) en de Time Projection Chamber (TPC).
  • Elektronidentificatie (PID) werd uitgevoerd via specifieke ionisatieverliesmetingen ($dE/dx$) in de TPC en via Transition Radiation in de TRD.
  • De analyse beperkte zich tot midrapidity ($|y| < 0.9$) en een $p_T$-bereik van 4 tot 16 GeV/c.

• Correcties en Systematische Onzekerheden:

  • De ruwe aantallen werden gecorrigeerd voor acceptatie, reconstructie-efficiëntie, PID-efficiëntie, en de TRD-trigger-efficiëntie.
  • Monte Carlo (MC) simulaties (PYTHIA 6.4 met Perugia 2011 tune) werden gebruikt om efficiënties te bepalen en de input $p_T$-verdelingen te herwegen.
  • Systematische onzekerheden werden geëvalueerd voor tracking, PID, signaalextractie, fit-functies, en trigger-efficiëntie. Veel van deze onzekerheden (zoals tracking en PID) vallen weg bij het berekenen van de verhouding $\psi(2S)/J/\psi$.

• Signaalextractie:

  • De ruwe opbrengsten werden verkregen door de invariant-massverdeling van de $e^+e^-$ paren te fiten.
  • Combinatorische achtergrond werd geschat met de "mixed-event" techniek.
  • De resterende achtergrond (voornamelijk van zware smaak-vervallen) werd gemodelleerd met een polynoom, terwijl de signalen werden gemodelleerd met MC-sjablonen.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste meting bij midrapidity: Dit is de eerste keer dat de inclusieve $p_T$-differentiële productiewaarschijnlijkheid van $\psi(2S)$ bij midrapidity is gemeten in pp-botsingen bij 13 TeV.
• Uitbreiding van het $p_T$-bereik: De analyse breidt het toegankelijke $p_T$-bereik uit van 8 GeV/c (de vorige ondergrens voor andere experimenten bij midrapidity) naar 4 GeV/c.
• Consistente ratio: Voor het eerst wordt de verhouding tussen de $\psi(2S)$- en $J/\psi$-productiewaarschijnlijkheid berekend binnen dezelfde analyse, wat systematische fouten minimaliseert.
• Vergelijking met theorie: De resultaten bieden een strikte test voor NRQCD en het Improved Color Evaporation Model (ICEM) in een eerder onbenut gebied van het $p_T$-spectrum.

4. Resultaten

• Productiewaarschijnlijkheid ($d\sigma/dp_T$):

  • De gemeten $p_T$-differentiële productiewaarschijnlijkheid voor $\psi(2S)$ loopt van 4 tot 16 GeV/c.
  • De data zijn consistent met de eerdere metingen van ATLAS in het overlappende bereik (8–16 GeV/c).
  • Een fit met een machtswet-functie beschrijft de data goed ($\chi^2/NDF = 0.45$).
  • Er wordt een "harder" spectrum waargenomen bij midrapidity vergeleken met metingen bij forward rapidity (een stijgende verhouding van mid- naar forward bij toenemende $p_T$).

• Verhouding $\psi(2S)/J/\psi$:

  • Er wordt een lichte stijging waargenomen in de verhouding van de productiewaarschijnlijkheid van $\psi(2S)$ tot $J/\psi$ naarmate de $p_T$ toeneemt.
  • Deze trend is consistent binnen de onzekerheden met metingen bij forward rapidity, wat suggereert dat er geen significante rapiditeitsafhankelijkheid is voor deze ratio.
  • De waargenomen stijging kan worden toegeschreven aan een combinatie van feed-down bijdragen van hogere toestanden (zoals $\chi_c$) en intrinsieke productiedynamica.

• Vergelijking met Theoretische Modellen:

  • NRQCD: De Next-to-Leading Order (NLO) NRQCD-berekeningen beschrijven de data kwantitatief goed over het volledige $p_T$-bereik, inclusief de stijgende trend in de ratio.
  • ICEM: Het Improved Color Evaporation Model voorspelt een bijna vlakke ratio, wat minder goed overeenkomt met de waargenomen stijgende trend in de data, hoewel de absolute $\psi(2S)$-waarden binnen de onzekerheden liggen.

5. Betekenis en Conclusie

De resultaten van deze studie zijn van cruciaal belang voor het veld van de zware kwarkfysica:

1. Validatie van NRQCD: De goede overeenkomst met NRQCD bevestigt dat dit kader, inclusief kleuroctet-bijdragen, een robuuste beschrijving biedt van quarkoniumproductie over een breed scala aan energieën en $p_T$-waarden.
2. Hadronisatie-inzichten: De waargenomen stijging in de $\psi(2S)/J/\psi$ ratio ondersteunt de ideeën dat de hadronisatie van zware quarkparen complexer is dan een eenvoudige universele fractie, en dat hogere-orde QCD-effecten en feed-down een belangrijke rol spelen.
3. Referentie voor zware ionen: Deze pp-metingen dienen als een essentiële baseline voor toekomstige metingen in proton-kern en kern-kern botsingen, waar de onderdrukking van quarkonia (quark-gluon plasma) wordt bestudeerd.

Samenvattend vult deze analyse een cruciale data-gaten op bij lage $p_T$ en biedt het nieuwe inzichten in de mechanismen die de vorming van charmonium-toestanden in de fundamentele krachten van de natuurkunde regelen.