Correlations between $\ensuremath{\mit{\Upsilon}(n\text{S})}\xspace$ production and the underlying event in $\ensuremath{p\!p}\xspace$ collisions with the ATLAS detector

Technische Samenvatting: Correlaties tussen de $\Upsilon(nS)$-productie en de Underlying Event in $pp$-botsingen

Probleemstelling
Recente waarnemingen bij de LHC en RHIC suggereren dat kleine botsingssystemen, zoals proton-proton ($pp$) botsingen, signalen kunnen vertonen die vergelijkbaar zijn met het quark-gluonplasma (QGP) dat typisch geassocieerd wordt met grote systemen. Hoewel QGP-achtige signalen zijn opgemerkt in de zachte sector (soft sector), blijven beperkingen op de partonische energieverlies in de harde sector een open vraag. Een cruciale openstaande vraag betreft de interactie tussen harde verstrooiingsprocessen en zachte QCD-dynamica, specifiek de correlaties tussen harde en zachte deeltjesproductie. Eerdere metingen door de CMS-Collaboratie gaven een afname aan in de relatieve productie van aangeslagen $\Upsilon(nS)$-toestanden met toenemende geladen deeltjesmultipliciteit. Dit artikel behandelt het omgekeerde perspectief: het gebruik van de $\Upsilon(nS)$-toestand als een harde probe om de begeleidende geladen deeltjesactiviteit (de underlying event, of UE) te karakteriseren en te bepalen of de vorming van verschillende bottomonium-toestanden correleert met onderscheidende zachte hadronische omgevingen.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van de volledige Run 2 $pp$-dataset verzameld door de ATLAS-detector bij $\sqrt{s} = 13$ TeV, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 139 fb$^{-1}$. Gebeurtenissen met een gemiddelde van 50 of meer gelijktijdige interacties werden uitgesloten, wat resulteerde in een gemiddelde pile-up van ongeveer 33,7.

• Gebeurtenisselectie: $\Upsilon(nS)$-kandidaten werden gereconstrueerd via het dimuon-vervalkanaal ($\Upsilon \to \mu^+\mu^-$). Muonen werden vereist met $p_T > 4$ GeV en $|\eta| < 2,4$. Tegengesteld geladen muonparen werden geselecteerd binnen een invariantie-massa bereik van $8,2 < m_{\mu\mu} < 11,8$ GeV en $|y_{\mu\mu}| < 1,6$.
• Geladen Deeltjesselectie: Primaire geladen deeltjes werden geselecteerd met $0,5 < p_T < 10$ GeV en $|\eta| < 2,5$. Tracks moesten zich binnen 0,5 mm (transversaal) en 0,75 mm (longitudinaal) van de primaire vertex bevinden. De muon-tracks die de $\Upsilon$-kandidaat vormen, werden uitgesloten van de geladen deeltjes-observabelen.
• Signaalextractie: Vanwege de overlap van de drie $\Upsilon(nS)$-pieken en de gladde dimuon-achtergrond, mat de analyse de geladen deeltjesdistributies in vijf massa-intervallen (drie signaalregio's en twee sidebands). Er werd een fit uitgevoerd in elk $p_T^{\mu\mu}$-interval met drie signaalcomponenten (gemodelleerd door Crystal Ball- en Gaussian-functies) en een derde-graads polynoom-achtergrond.
• Correcties: Detectoracceptatie, reconstructie- en trigger-efficiënties werden gecorrigeerd met behulp van simulatie (Pythia 8 met A14 tune en CTEQ6L1 PDF's) en data-gedreven schaalfactoren. Pile-up bijdragen werden geschat en afgetrokken met behulp van een procedure die is ontwikkeld voor ATLAS $Z$-getagde UE-metingen.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
De studie mat de multipliciteit, transversale momentum ($p_T$) en azimutale scheiding ($\Delta\phi$) van geladen deeltjes geassocieerd met $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ en $\Upsilon(3S)$ meson als functie van de $\Upsilon$ transversale momentum ($p_T^{\mu\mu}$).

1. Multipliciteitshierarchie: Er werd een duidelijke hiërarchie in geladen deeltjesactiviteit waargenomen. In het laagst gemeten $p_T^{\mu\mu}$-interval vertoonden gebeurtenissen met $\Upsilon(1S)$-mesonen een gemiddelde geladen deeltjesmultipliciteit van $29,5 \pm 0,7$. In contrast hiermee vertoonden $\Upsilon(2S)$- en $\Upsilon(3S)$-gebeurtenissen systematisch lagere multipliciteiten, verminderd met respectievelijk $3,6 \pm 0,4$ en $4,9 \pm 1,1$ deeltjes. Dit komt overeen met relatieve reducties van $12 \pm 1\%$ en $17 \pm 4\%$ vergeleken met de $\Upsilon(1S)$-steekproef.
2. $p_T$-afhankelijkheid: Het verschil in multipliciteit tussen de grondtoestand ($\Upsilon(1S)$) en aangeslagen toestanden ($\Upsilon(2S)$, $\Upsilon(3S)$) neemt af naarmate $p_T^{\mu\mu}$ toeneemt, maar blijft positief over het gehele gemeten bereik.
3. Kinematische Distributies: De afgetrokken transversale momentum- en azimutale distributies geven aan dat de geobserveerde verschillen niet uitsluitend worden gedreven door jet-activiteit die de $\Upsilon$-impuls compenseert. De afgetrokken $\Delta\phi$-distributies blijven positief rond $\Delta\phi = \pm\pi/2$, wat suggereert dat er een substantiële zachte component aanwezig is in de verschillen tussen de toestanden.
4. Modelvergelijking: Pythia 8-voorspellingen, zowel met als zonder feed-down bijdragen van hogere bottomonium-toestanden (bijv. $\chi_b$-verval), slaagden er niet in om de geobserveerde hiërarchie te reproduceren. Het model voorspelde zeer vergelijkbare multipliciteiten voor alle drie de toestanden. Het variëren van het kleur-reconnectie-schema slaagde er ook niet in om de discrepantie op te lossen.

Significantie
Het artikel stelt dat de geobserveerde multipliciteitshierarchie een sterke beperking vormt voor de modellering van bottomonium-productie en de correlatie met de omringende zachte gebeurtenisactiviteit. Specifiek geven de data aan dat gebeurtenissen die aangeslagen bottomonium-toestanden produceren, vergezeld gaan van systematisch lagere geladen deeltjesactiviteit dan gebeurtenissen die grondtoestanden produceren, waarbij het effect het meest uitgesproken is bij lage $p_T^{\mu\mu}$.

De auteur concludeert dat de geobserveerde toestand-afhankelijke geladen deeltjesactiviteit, met name bij lage transversale momentum, verdere studies motiveert naar de relatie tussen bottomonium-productie en de hadronische omgeving in hoog-multipliciteit $pp$-botsingen. De resultaten dagen bestaande Monte Carlo-modellen (specifiek Pythia 8) uit om de interactie tussen quarkonium-vorming en zachte QCD-dynamica beter te beschrijven.