Measurements of the production of W$^{\pm}$ and Z$^0$ bosons in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Dit artikel presenteert ALICE-metingen van de productie van W±- en Z0-bosonen in pp-botsingen bij een straalenergie van 13 TeV, inclusief de eerste LHC-observatie van een sneller-dan-lineaire toename van de productie van W-bosonen en geassocieerde hadronen bij toenemende geladen-deeltjesmultipliciteit.

De kern

Deelname aan de deeltjesdans: Hoe ALICE de 'boodschappers' van het universum bekijkt

Stel je voor dat het Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een gigantische, superkrachtige deeltjesversneller is. Het is alsof twee auto's met de snelheid van het licht tegen elkaar worden gereden, maar dan met protonen in plaats van auto's. Als deze botsen, ontstaat er een enorme explosie van energie waaruit nieuwe deeltjes worden geboren.

De ALICE-experimenten kijken naar wat er gebeurt bij deze botsingen. In dit specifieke onderzoek kijken ze naar twee heel speciale, zware deeltjes: de W-bosonen en de Z-bosonen.

Wat zijn deze deeltjes eigenlijk?

Om het makkelijk te maken, kun je je deze deeltjes voorstellen als boodschappers of postbodes die het nieuws van de botsing naar buiten brengen.

1. De W- en Z-bosonen: Deze zijn heel zwaar en leven maar een heel kort moment. Ze zijn de "boodschappers" van de zwakke kernkracht (een van de vier fundamentele krachten in het universum). Omdat ze zo zwaar zijn, zijn ze moeilijk te maken. Ze ontstaan alleen als er heel veel energie vrijkomt, zoals bij een botsing in het LHC.
2. Hoe zien we ze? Omdat ze zo kort leven, zien we ze niet direct. Ze vallen direct uit elkaar in andere deeltjes, zoals elektronen. De ALICE-detectoren kijken dus niet naar de W- en Z-bosonen zelf, maar naar de "sporen" (de elektronen) die ze achterlaten. Het is alsof je een onzichtbare geest probeert te vinden door te kijken naar de kleding die hij heeft laten vallen.

Het experiment: Een foto van de chaos

De wetenschappers lieten protonen botsen bij een energie van 13 TeV (een heel groot getal, alsof je twee muggen met de kracht van een vliegtuig tegen elkaar laat vliegen). Ze keken specifiek naar de elektronen die uit de W- en Z-bosonen kwamen.

Ze maten twee dingen:

• Hoe vaak gebeurde dit? (De "productie").
• Hoe snel vlogen de elektronen weg? (De "transversale impuls" of $p_T$).

De bevinding: De hoeveelheid en de snelheid van deze elektronen kwamen precies overeen met wat de theoretische natuurkundige formules (de "recepten" van het universum) voorspelden. Het is alsof je een cake bakt volgens een recept, en de cake smaakt precies zoals je verwachtte. Dit bevestigt dat onze theorieën over hoe deeltjes werken, kloppen.

Het verrassende deel: De drukte in de zaal

Maar het meest interessante deel van dit onderzoek is niet alleen wat er gebeurt, maar hoe het gebeurt in relatie tot hoe druk het is in de zaal.

Stel je voor dat je een feestje geeft:

• Situatie A: Er zijn maar een paar gasten (een "rustige" botsing).
• Situatie B: Er zijn honderden gasten die tegen elkaar aan duwen (een "drukke" botsing met veel deeltjes).

De wetenschappers keken naar twee soorten gasten op dit feestje:

1. De W-bosonen (de VIP's): Deze zijn heel speciaal. Ze zijn "kleurloos" (in de deeltjeswereld betekent dit dat ze niet reageren op de sterke interacties tussen de andere deeltjes). Ze zijn als een VIP die door een beveiligde gang loopt en niemand aanraakt.
2. De gewone hadronen (de gewone gasten): Dit zijn de deeltjes die wel in de drukte verstrikt raken. Ze reageren op de "kleurkracht" (de sterke interactie) en duwen tegen elkaar aan.

Wat zagen ze?

• De VIP's (W-bosonen): Hoe drukker het feestje werd (hoe meer deeltjes er waren), hoe meer VIP's er werden gemaakt, maar dit ging lineair. Dus als je twee keer zoveel gasten hebt, heb je twee keer zoveel VIP's. Ze worden niet beïnvloed door de drukte om hen heen.
• De gewone gasten (hadronen): Bij de gewone deeltjes zag men iets vreemds. Als het feestje heel druk werd, kwamen er meer dan twee keer zoveel gewone deeltjes. Het was alsof de drukte zelf nieuwe gasten creëerde! Dit wordt een "sneller-dan-lineaire" toename genoemd.

Waarom is dit belangrijk?

Dit verschil vertelt ons iets heel belangrijks over hoe het universum werkt op de kleinste schaal.

• De VIP's (W-bosonen) bewijzen dat ze echt onafhankelijk zijn. Ze worden niet beïnvloed door de "kleurverbindingen" (de manier waarop deeltjes aan elkaar plakken) die in de drukte ontstaan.
• De gewone deeltjes gedragen zich anders. De theorie is dat in een drukke botsing de deeltjes "kleurdraden" met elkaar verbinden (een proces dat kleurherverbinding heet). Dit zorgt ervoor dat er meer deeltjes ontstaan dan je op basis van simpele wiskunde zou verwachten.

Het is alsof je in een drukke supermarkt staat:

• Als je een robot (de W-boson) door de gang stuurt, loopt hij rechtdoor. Als er meer mensen zijn, loopt hij gewoon net zo snel, maar er zijn meer robots.
• Als je mensen (de hadronen) in de gang zet, beginnen ze in de drukte met elkaar te praten, te duwen en samen te werken. Hierdoor ontstaan er plotseling meer mensen in de gang dan er eigenlijk waren, omdat ze elkaar "opwekken".

Conclusie

Dit onderzoek is een succesvolle test van onze kennis.

1. We hebben bewezen dat we de "boodschappers" (W en Z) precies kunnen voorspellen met onze huidige theorieën.
2. We hebben voor het eerst gezien hoe deze boodschappers zich gedragen in een drukke omgeving, en dat ze zich niet laten beïnvloeden door de chaos om hen heen.
3. Tegelijkertijd zien we dat de gewone deeltjes wél reageren op die chaos, wat ons helpt te begrijpen hoe materie zich gedraagt onder extreme omstandigheden (zoals net na de Oerknal).

Kortom: ALICE heeft bewezen dat de "VIP's" van het deeltjesfeestje onafhankelijk blijven, terwijl de "gewone gasten" in de drukte juist extra enthousiast worden. Dit helpt ons om de regels van het universum nog beter te begrijpen.

Technische samenvatting

Titel: Metingen van de productie van W±- en Z0-bosonen in pp-botsingen bij √s = 13 TeV

Auteur: ALICE-samenwerking
Datum: 13 januari 2026 (CERN-EP-2026-006)
Context: Large Hadron Collider (LHC), CERN

---

1. Het Probleem en de Wetenschappelijke Context

De kern van dit onderzoek ligt in het begrijpen van de dynamiek van de quark-gluonplasma (QGP) en de aard van de sterke interactie in kleine botsingssystemen (zoals proton-proton of pp). Hoewel de QGP voornamelijk wordt bestudeerd in zware ionenbotsingen, tonen recente metingen in hoge-multipliciteit pp-botsingen aan dat er ook tekenen zijn van collectief gedrag (zoals azimuthale anisotropieën) en een sneller-dan-lineaire toename van de deeltjesproductie bij hoge multipliciteit.

De centrale vraag is of deze effecten het gevolg zijn van:

1. Echte multi-parton interacties (MPI) en kleurreconnectie (CR), waarbij deeltjes uit verschillende harde botsingen met elkaar verbonden worden.
2. Autocorrelaties: Een statistisch artefact waarbij deeltjes die worden gemeten, direct bijdragen aan de schatting van de totale multipliciteit van het evenement.

Om dit te onderscheiden, zijn elektroweak bosonen (W± en Z0) ideaal als "referentieproef". Omdat deze bosonen zwak interageren en geen kleurlading hebben, zouden ze niet beïnvloed moeten worden door de sterke interactie of kleurreconnectie in het eindtoestandmedium. Als hun productie lineair toeneemt met de multipliciteit, terwijl hadronen (die wel onderhevig zijn aan de sterke interactie) een sneller-dan-lineaire toename vertonen, kan dit onderscheid tussen echte MPI-effecten en autocorrelaties helpen verduidelijken.

2. Methodologie

De analyse is uitgevoerd op data verzameld door de ALICE-detector tijdens pp-botsingen bij een middelpuntsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV (periode 2016-2018).

• Data-selectie:

  • Gebruik van een "minimum bias" (MB) trigger en een EMCal-trigger (Elektromagnetische Calorimeter) om de kans op het detecteren van hoog-energetische elektronen te vergroten.
  • Geïntegreerde luminositeit: 7,8 pb⁻¹.
  • Multipliciteitsklassen werden bepaald op basis van de dichtheid van geladen deeltjes ($dN_{ch}/d\eta$) gemeten in het pseudorapidity-interval $|\eta| < 1$.

• Reconstructie en Detectie:

  • Z0-bosonen: Gereconstrueerd via het invariante massa van elektron-positron paren ($e^+e^-$) in het bereik $60 < m_{ee} < 108$ GeV/c². Eén elektron moest voldoen aan strikte criteria ($30 < p_T < 60$ GeV/c en $|y| < 0.6$), de ander aan losse criteria.
  • W±-bosonen: Gereconstrueerd via het transverse momentum ($p_T$) van een enkel elektron ($e^\pm$) uit het verval $W^\pm \to e^\pm \nu$. Het signaal werd geëxtraheerd uit de $p_T$-verdeling na aftrek van achtergrond.
  • Elektronidentificatie: Gebruik van de Inner Tracking System (ITS), Time Projection Chamber (TPC) en EMCal. Identificatiecriteria omvatten ionisatieverlies ($dE/dx$), de verhouding energie/momentum ($E/p \approx 1$), en isolatie-eisen (weinig andere energie in een kegel rond het elektron).

• Achtergrondaftrek:

  • Achtergrond van zware-flavoured hadronen ($c, b$) en Z0-vallen werd statistisch afgetrokken met behulp van data-gedreven methoden en simulaties (PYTHIA 8, POWHEG).
  • Conversies en Dalitz-vervallen werden behandeld als systematische onzekerheid.

• Theoretische Vergelijking:

  • Resultaten werden vergeleken met perturbatieve QCD (pQCD) berekeningen op NLO-niveau (Next-to-Leading Order) met behulp van het POWHEG-framework, gekoppeld aan PYTHIA 8 voor de deeltjesstroom.
  • Verschillende sets van Parton Distributie Functies (PDFs) werden gebruikt: CT14NNLO, CT18NLO en NNPDF4.0.

3. Belangrijkste Bijdragen

Dit paper levert de volgende unieke bijdragen aan de literatuur:

1. Eerste ALICE-metingen: De eerste metingen van W±- en Z0-productie door ALICE in het (di)elektronische vervalkanaal bij 13 TeV.
2. Multipliciteitsafhankelijkheid: Voor het eerst bij de LHC wordt de productie van W±-bosonen en geassocieerde hadrons gemeten als functie van de geladen-deeltjesmultipliciteit.
3. Onderzoek naar Autocorrelaties: Een directe vergelijking tussen de multipliciteitsafhankelijkheid van kleurloze bosonen (W±) en kleurdragende hadrons om het mechanisme achter de sneller-dan-lineaire toename in kleine systemen te ontrafelen.

4. Resultaten

• Productie-werkzame doorsneden (Cross-sections):

  • De gemeten werkzame doorsnede voor $Z^0 \to e^+e^-$ (in het fiduciale bereik) is:
    $$\sigma_{fid} = 203 \pm 22 \text{ (stat)} \pm 22 \text{ (syst)} \pm 11 \text{ (lumi)} \text{ pb}$$
  • De differentiële werkzame doorsneden voor elektronen uit $W^-$ en positronen uit $W^+$ in het bereik $30 < p_T < 60$ GeV/c werden gemeten.
  • De geïntegreerde werkzame doorsneden zijn:
    • $d\sigma/dy (W^- \to e^-) = 0.68 \pm 0.09$ nb
    • $d\sigma/dy (W^+ \to e^+) = 0.72 \pm 0.09$ nb
  • Conclusie: Alle gemeten waarden vertonen een uitstekende overeenstemming met de theoretische pQCD-berekeningen (POWHEG + diverse PDFs) binnen de experimentele en theoretische onzekerheden.

• Multipliciteitsafhankelijkheid:

  • W±-productie: De productie van W±-bosonen neemt ongeveer lineair toe met de genormaliseerde geladen-deeltjesmultipliciteit. Dit bevestigt de verwachting dat kleurloze bosonen niet beïnvloed worden door kleurreconnectie-effecten.
  • Geassocieerde Hadrons: De productie van hadrons die geassocieerd zijn met W± (gemeten via azimuthale correlaties) vertoont een sneller-dan-lineaire toename bij hoge multipliciteit.
  • Vergelijking met PYTHIA 8: Simulaties met MPI en kleurreconnectie (CR) reproduceren de lineaire trend voor W± en de sneller-dan-lineaire trend voor hadrons. De data lijkt de modellen met CR-effecten te prefereren.
  • Autocorrelatie-effecten: De studie vergelijkt deze resultaten met eerdere metingen van $J/\psi$-productie. De bevinding dat W± lineair is, terwijl de geassocieerde hadrons niet-lineair zijn, ondersteunt de hypothese dat autocorrelaties (waarbij de hadrons zelf bijdragen aan de multipliciteitsmeting) een belangrijke rol spelen in de waargenomen versterking van hadronproductie.

5. Betekenis en Conclusie

De resultaten bevestigen dat de productie van elektroweak bosonen in pp-botsingen op 13 TeV volledig beschreven kan worden door perturbatieve QCD, zonder noodzaak voor extra mechanismen zoals kleurreconnectie die de productie van de bosonen zelf beïnvloeden.

De cruciale bevinding is het contrast tussen het lineaire gedrag van W± en het niet-lineaire gedrag van geassocieerde hadrons. Dit suggereert sterk dat de "sneller-dan-lineaire" toename van deeltjesproductie bij hoge multipliciteit in kleine systemen grotendeels wordt gedreven door autocorrelaties tussen de gemeten deeltjes en de multipliciteitsmeting, of door kleurreconnectie-effecten die specifiek de hadronisatie beïnvloeden en niet de initiële harde botsing van de bosonen.

Deze metingen dienen als een essentiële referentie voor het interpreteren van collectieve effecten in kleine systemen en zullen in de toekomst profiteren van de hogere statistiek die beschikbaar zal zijn tijdens LHC Run 3 en Run 4 met de opgeupgrade ALICE-detector.