Multiplicity dependence of prompt and non-prompt J/$\psi$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Dit artikel presenteert metingen van de multipliciteitsafhankelijkheid van prompte en niet-prompte J/$\psi$-productie bij middelhoogte in pp-botsingen bij $\sqrt{s} = 13$ TeV, waarbij een sterker dan lineaire toename van de opbrengsten wordt waargenomen die varieert met de azimutale regio ten opzichte van de J/$\psi$-richting.

De kern

Titel: De "J/ψ"-feestjes in de deeltjesversneller: Waarom meer gasten leiden tot meer dansers

Stel je voor dat het Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een gigantische, hypermoderne discotheek is. In deze discotheek botsen twee stralen van deeltjes (protonen) tegen elkaar. Soms is het een rustig weekendje weg met weinig mensen, en soms is het een uitverkochte, drukke feestavond.

De ALICE-samenwerking (een team van wetenschappers) heeft gekeken naar een heel specifiek type "gast" die op deze feesten verschijnt: de J/ψ-meson. Dit is een klein deeltje dat bestaat uit een charm-quark en een anti-charm-quark die aan elkaar gekleefd zitten. Ze zijn als een dansend koppel dat plotseling op de dansvloer verschijnt.

De wetenschappers wilden weten: Hoeveel van deze dansende koppels verschijnen er als de discotheek voller wordt? En nog belangrijker: verschijnen ze op een andere manier als ze "direct" geboren zijn, of als ze "via een tussenstap" (via een zwaar beauty-deeltje) ontstaan?

Hier is wat ze hebben ontdekt, vertaald naar alledaags taal:

1. De twee soorten dansers: "Prompt" en "Non-prompt"

In de discotheek zijn er twee manieren waarop een J/ψ-koppel kan ontstaan:

• Prompt (Direct): Het koppel wordt direct geboren tijdens de botsing. Ze zijn als een koppel dat meteen de dansvloer opstapt zodra de muziek begint.
• Non-prompt (Niet-direct): Deze koppels komen van een zwaarder deeltje (een beauty-hadron) dat eerst een stukje door de zaal loopt en dan pas uiteenvalt in een J/ψ. Dit is alsof een zware gast (de beauty) eerst een rondje loopt, en pas later een dansend koppel (de J/ψ) uit zijn jasje haalt. Omdat deze "gast" even leeft voordat hij verdwijnt, zie je dat het dansende koppel een klein stukje verderop op de vloer verschijnt dan waar de botsing plaatsvond.

2. Het grote geheim: Meer mensen = Meer dansers (maar niet lineair)

De wetenschappers keken naar de relatie tussen het aantal mensen in de zaal (deeltjesmultipliciteit) en het aantal J/ψ-dansers.

• De verwachting: Als je 2 keer zoveel mensen in de zaal hebt, zou je misschien 2 keer zoveel dansers verwachten. Dat is een "lineaire" relatie.
• De realiteit: Ze zagen iets veel spannenders! Als de zaal voller wordt, explodeert het aantal J/ψ-dansers. Het aantal neemt sneller toe dan het aantal mensen.
  • De analogie: Stel je voor dat je een feestje hebt. Als je 10 gasten toevoegt, krijg je misschien 10 nieuwe gesprekken. Maar als je 100 gasten toevoegt, krijg je niet 100 gesprekken, maar misschien 500, omdat de sfeer zo energiek wordt dat iedereen ineens gaat dansen. De "drukte" zelf creëert extra dansers.

3. De richting telt: Waar kijk je?

De wetenschappers keken niet alleen naar de hele zaal, maar verdeelden de ruimte in drie zones rondom waar de J/ψ-meson vandaan kwam:

• De "Toward" zone (Vooruit): De richting waar de J/ψ naartoe vliegt. Hier is de toename van dansers het sterkst. Dit is logisch, want hier zitten de "buren" die direct bij de productie betrokken zijn (zoals de rest van de jet die uit de botsing komt).
• De "Transverse" en "Away" zones (Zijwaarts en Achteruit): Hier is de toename zwakker, maar nog steeds sterker dan lineair. Dit suggereert dat zelfs in de rustigere hoeken van de zaal, de algemene drukte van het feest invloed heeft op het ontstaan van deze deeltjes.

4. De computermodellen: Wie heeft het goed?

De wetenschappers hebben hun resultaten vergeleken met computerprogramma's (zoals PYTHIA en EPOS) die proberen het gedrag van deeltjes te simuleren.

• De oude modellen: Sommige standaardinstellingen van deze programma's voorspelden dat het aantal dansers lineair zou toenemen. Ze misten dus de "explosieve" groei die ze in de echte discotheek zagen.
• De nieuwe modellen: Als je bepaalde complexe mechanismen in de software aanzet (zoals het idee dat deeltjes elkaar beïnvloeden via "gluon-wolken" of dat ze samenklonteren), dan klopt de voorspelling veel beter met de realiteit. Het blijkt dat de manier waarop deeltjes "gehard" worden (van energie naar materie) in een drukke omgeving anders werkt dan in een rustige.

5. De verhouding tussen J/ψ en D0

Ze keken ook naar de verhouding tussen J/ψ-dansers en een ander type deeltje (D0-mesons). In zware botsingen (zoals lood-lood botsingen) wordt deze verhouding groter omdat de deeltjes zich kunnen "hergebruiken" in een dichte soep. In deze kleine proton-proton botsingen zagen ze echter geen duidelijke verandering in deze verhouding, zelfs niet bij de drukste feesten. Dit betekent dat de "hergebruik"-effecten die je in zware botsingen ziet, hier waarschijnlijk nog niet sterk genoeg zijn om te meten.

Conclusie: Wat betekent dit voor ons?

Deze studie laat zien dat zelfs in de kleinste botsingen (proton-proton), als het druk genoeg wordt, de deeltjes zich gedragen alsof ze in een dichte, collectieve massa zitten. Het is alsof de "drukte" van het feest zelf een nieuwe kracht creëert die het ontstaan van zware deeltjes stimuleert.

Het is een bewijs dat de grens tussen "kleine" botsingen en de enorme, hete soep van het vroege heelal (het Quark-Gluon Plasma) dunner is dan we dachten. Zelfs op een klein feestje kan de sfeer zo intens worden dat het de manier waarop deeltjes ontstaan, fundamenteel verandert.

Kortom: Hoe drukker het feest, hoe meer dansers er plotseling op de vloer verschijnen, en dit gebeurt sneller dan je op basis van het aantal gasten zou verwachten. De natuur is creatief als het druk wordt!

Technische samenvatting

Titel en Context

Titel: Multipliciteitsafhankelijkheid van prompte en niet-prompte J/ψ-productie bij midrapidity in pp-botsingen bij √s = 13 TeV.
Organisatie: ALICE Collaboration (CERN).
Datum: 3 april 2026 (gepubliceerd in CERN-EP-2026-109).

1. Het Probleem en Onderzoeksvraag

De kern van dit onderzoek ligt in het begrijpen van de productiemechanismen van zware quarkonia (zoals J/ψ-mesonen) in proton-proton (pp) botsingen, specifiek in relatie tot de geladen-deeltjesmultipliciteit (het aantal geproduceerde geladen deeltjes).

• Prompt vs. Niet-prompt: J/ψ-mesonen kunnen direct worden geproduceerd ("prompt", via sterke interacties of verval van hogere charmoniumtoestanden) of afkomstig zijn van het verval van beauty-hadronen ("niet-prompt"). Het is onduidelijk hoe deze twee bronnen verschillend reageren op de dichtheid van het omringende deeltjesveld.
• Collectiviteit in kleine systemen: Er is waargenomen dat in pp-botsingen met hoge multipliciteit tekenen van collectief gedrag (vergelijkbaar met het Quark-Gluon Plasma in zware ionenbotsingen) kunnen optreden. De vraag is of dit ook geldt voor zware quarks en hoe de hadronisatiemechanismen (fragmentatie vs. coalescentie) hierbij veranderen.
• Autocorrelaties: Een belangrijk technisch probleem is het onderscheid tussen de werkelijke correlatie tussen harde processen (J/ψ-productie) en zachte processen (multipliciteit), en artefacten veroorzaakt door autocorrelaties (waarbij de vervalproducten van de J/ψ zelf meetellen in de multipliciteit).
• Azimutale afhankelijkheid: Het is niet bekend of de multipliciteitsafhankelijkheid uniform is, of dat deze verschilt afhankelijk van de hoek ten opzichte van de J/ψ-richting (richting "toward", "transverse" of "away").

2. Methodologie

De analyse is uitgevoerd op data verzameld door de ALICE-detector tijdens Run 2 van de LHC bij een botsingsenergie van √s = 13 TeV.

• Data Selectie:
  • Gebruik van drie triggers: Minimum Bias (MB), High Multiplicity (HM, top 0,1% van de gebeurtenissen), en Transition Radiation Detector (TRD) voor elektronenidentificatie.
  • Integratie van ongeveer 30 nb⁻¹ (MB), 1,8 pb⁻¹ (TRD) en 8,8 pb⁻¹ (HM).
• Reconstructie:
  • J/ψ-mesonen worden gereconstrueerd via het dielektron-vervalkanaal ($J/\psi \to e^+e^-$) in het centrale vat ($|y| < 0.9$).
  • De multipliciteit ($N_{ch}$) wordt gemeten in $|\eta| < 0.9$ en onderverdeeld in drie azimutale regio's ten opzichte van de J/ψ-impuls:
    • Toward: $|\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| < \pi/3$ (richting van de J/ψ).
    • Transverse: $\pi/3 < |\Delta\phi| < 2\pi/3$ (loodrecht op de J/ψ).
    • Away: $|\Delta\phi| > 2\pi/3$ (tegenovergestelde richting).
• Scheiding Prompt/Niet-prompt:
  • Een Boosted Decision Tree (BDT) algoritme wordt gebruikt om prompte en niet-prompte J/ψ's te scheiden. Dit gebeurt op basis van de pseudo-proper vervalafstand ($x$) en andere kinematische variabelen.
  • De niet-prompt fractie ($f_B$) wordt bepaald door een statistische fit van de BDT-uitkomsten.
• Correcties:
  • Zelfgenormaliseerde yields: De yields en multipliciteit worden genormaliseerd op hun gemiddelde waarde in inelastische gebeurtenissen ($INEL>0$).
  • Correcties voor trigger-efficiëntie, vertex-reconstructie, en "bin-migration" (het effect dat een J/ψ-deeltje de gemeten multipliciteit kunstmatig verhoogt).
  • Ontvouwingsalgoritmen (Iterative Bayesian Unfolding) worden toegepast om detector-inefficiënties te corrigeren.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste gescheiden meting: Dit is een van de eerste gedetailleerde metingen die prompte en niet-prompte J/ψ-yields apart analyseert als functie van de multipliciteit in pp-botsingen bij 13 TeV.
• Azimutale decompositie: De studie introduceert een gedetailleerde analyse van de multipliciteitsafhankelijkheid in specifieke azimutale regio's (toward, transverse, away) om onderliggende gebeurtenisactiviteit te isoleren van autocorrelaties.
• Vergelijking met D0: Er wordt een ratio gepresenteerd tussen prompte J/ψ en prompte $D^0$-yields om te onderzoeken of er een versterking van J/ψ-productie is in dichte media (regeneratie), vergelijkbaar met zware ionenbotsingen.
• Modelvalidatie: Uitgebreide vergelijkingen met verschillende Monte Carlo-generatoren (PYTHIA 8 met verschillende tunes zoals Monash, CR-BLC, en oniaShower) en theoretische modellen (EPOS4HQ, CGC-gebaseerde modellen).

4. Resultaten

• Sterker-dan-lineaire toename: Zowel voor prompte als niet-prompte J/ψ-mesonen wordt een sterker-dan-lineaire toename waargenomen van de zelfgenormaliseerde yield naarmate de zelfgenormaliseerde multipliciteit toeneemt. Dit gedrag is vergelijkbaar voor beide componenten.
• Azimutale verschillen:
  • De toename is het sterkst in de "toward" regio (in de richting van de J/ψ). Dit wordt toegeschreven aan autocorrelaties (deeltjes uit dezelfde jet of vervalproces).
  • In de "transverse" en "away" regio's is de toename zwakker, maar nog steeds significant sterker dan lineair. Dit suggereert dat er ook een effect is van de schaal van het proces (harde vs. zachte schaal) op de onderliggende gebeurtenis, niet alleen louter autocorrelaties.
• Niet-prompt fractie ($f_B$): De fractie van niet-prompte J/ψ's toont een lichte, maar significante toename met de multipliciteit (afwijking van een vlakke trend met 2.9$\sigma$). Dit suggereert dat de productie van beauty-hadronen iets sterker toeneemt dan die van charm-hadronen bij hoge multipliciteit.
• J/ψ tot D0 Ratio: De ratio tussen prompte J/ψ en $D^0$-yields toont geen significante verandering binnen de onzekerheden in pp-botsingen, noch tussen standaard en hoge-multipliciteit gebeurtenissen. Dit staat in contrast met Pb-Pb-botsingen waar een toename wordt gezien (vermoedelijk door regeneratie).
• Modelvergelijkingen:
  • PYTHIA 8: De standaard "Monash" tune onderschat de prompte J/ψ-yields bij hoge multipliciteit. De "oniaShower" instelling (waarbij quarkonia worden geproduceerd in de deeltjesstroom) geeft een veel betere beschrijving van de data. Voor niet-prompte J/ψ's doet de Monash-tune het redelijk goed.
  • EPOS4HQ: Overschat de prompte yields bij hoge multipliciteit en onderschat de niet-prompte yields.
  • CGC-modellen: De 3-Pomeron CGC-modellen beschrijven de data redelijk goed voor prompte J/ψ, maar slagen niet in het volledig reproduceren van de correlaties over alle $p_T$-intervallen.

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie levert cruciale inzichten op in de dynamiek van zware quarks in kleine systemen (pp):

1. Autocorrelaties vs. Onderliggende Gebeurtenis: De sterke toename van de yields in de "toward" regio bevestigt dat autocorrelaties (deeltjes uit dezelfde productieketen) een grote rol spelen. Echter, de waargenomen toename in de "transverse" regio suggereert dat er ook een fundamenteel effect is waarbij de productie van zware quarks gekoppeld is aan de algemene activiteit van de onderliggende gebeurtenis, mogelijk door mechanismen zoals multiple parton-interacties (MPI) of saturatie-effecten.
2. Hadronisatie: De resultaten ondersteunen het idee dat hadronisatiemechanismen (zoals coalescentie) mogelijk een rol spelen bij hoge multipliciteit, hoewel de J/ψ/D0-ratio in pp geen bewijs levert voor de sterke regeneratie die in Pb-Pb wordt gezien.
3. Modelbeperkingen: De noodzaak van geavanceerde instellingen in PYTHIA (zoals oniaShower) en de beperkingen van EPOS4 en CGC-modellen tonen aan dat de huidige theoretische beschrijvingen van quarkonium-productie in dichte omgevingen nog niet volledig zijn.
4. Toekomst: De resultaten benadrukken het belang van verdere metingen in Run 3 van de LHC, waar hogere data-mengen en verbeterde vertex-oplossing (zonder hardware-triggers) zullen leiden tot nog nauwkeurigere metingen zonder trigger-bias.

Kortom, het paper bevestigt dat de productie van zware quarkonia in pp-botsingen sterk afhankelijk is van de omgeving (multipliciteit), met complexe interacties tussen harde en zachte processen die niet volledig worden verklaard door eenvoudige lineaire schaling.