Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

O experimento LHCb mediu a razão de produção entre os estados de quarkônio $\psi(2S)$ e $J/\psi$ em colisões $p$Pb a 8,16 TeV, observando uma dependência com a multiplicidade apenas para a produção prompt na direção do próton, o que sugere a presença de mecanismos de supressão adicionais, possivelmente relacionados à formação de um plasma de quarks e glúons, na direção do chumbo.

O essencial

Imagine que o universo é uma grande cozinha onde os cientistas tentam cozinhar a "massa" fundamental da matéria. Para isso, eles usam o LHC (o Grande Colisor de Hádrons), que é como um fogão supersônico capaz de esmagar partículas umas nas outras com uma força incrível.

Este novo relatório do experimento LHCb (um dos "olhos" desse fogão) conta uma história fascinante sobre o que acontece quando colidimos um próton (uma partícula pequena, como uma ervilha) com um núcleo de chumbo (uma partícula gigante, como uma bola de boliche cheia de ervilhas).

Aqui está a explicação simplificada, passo a passo:

1. O Objetivo: Encontrar o "Fogo" Escondido

Os cientistas estão procurando por algo chamado Plasma de Quarks e Glúons (QGP).

• A Analogia: Imagine que a matéria normal é como um bloco de gelo. Se você esquentar muito, ele derrete e vira água (líquido). Se esquentar ainda mais, vira vapor. O QGP é como o "vapor" da matéria, onde as peças fundamentais (quarks) se soltam e flutuam livremente, como se a "geladeira" do universo tivesse quebrado.
• Normalmente, esse "vapor" só é visto quando colidem dois núcleos gigantes (como chumbo com chumbo). Mas a grande pergunta deste estudo é: Será que conseguimos criar uma gota minúscula desse "vapor" quando colidimos uma partícula pequena com uma grande?

2. Os "Personagens" da História: J/ψ e ψ(2S)

Para medir se esse "vapor" se formou, os cientistas observam dois tipos de "famílias" de partículas chamadas charmonia:

• O J/ψ: É o "irmão mais forte e estável". Ele é como um carro de corrida blindado.
• O ψ(2S): É o "irmão mais frágil e excitado". Ele é como um carro de corrida feito de papelão.

A Lógica: Se houver um "fogo" muito forte (o QGP) no meio da colisão, o carro de papelão (ψ(2S)) vai derreter ou se desintegrar muito mais rápido do que o carro blindado (J/ψ).

• Se a proporção de "papelão" para "blindado" diminuir conforme a colisão fica mais intensa, é sinal de que o "fogo" (QGP) existe.

3. O Experimento: A Corrida de Carros em Duas Direções

O LHCb fez uma coisa genial: eles colidiram o próton e o chumbo em duas configurações diferentes, como se fosse uma pista de corrida onde o vento sopra de lados opostos.

• Cenário A (pPb): O próton vai em direção ao detector (como se o vento soprasse de trás para frente). O chumbo fica "atrás".
• Cenário B (Pbp): O chumbo vai em direção ao detector (como se o vento soprasse de frente para trás). O próton fica "atrás".

Isso é crucial porque, quando o chumbo vai na frente, a densidade de matéria no caminho é muito maior. É como se o carro de papelão tivesse que atravessar uma tempestade de granizo em vez de apenas uma chuva leve.

4. O Resultado Surpreendente

Aqui está a parte mágica que o papel revela:

• No Cenário A (Próton na frente): Quando a colisão fica mais "cheia" (mais partículas criadas), o carro de papelão (ψ(2S)) começa a sumir em relação ao blindado. Isso sugere que, mesmo em colisões pequenas, algo está "queimando" o carro frágil.
• No Cenário B (Chumbo na frente): Aqui, a surpresa! Mesmo com mais partículas, a proporção entre os carros não muda. O carro de papelão sobrevive tão bem quanto o blindado.

Por que isso é estranho?
Parece contra-intuitivo. Se o chumbo está na frente, deveria haver mais "fogo" e mais destruição do carro frágil. Mas o resultado mostra o oposto: o carro frágil sobrevive melhor quando o chumbo está na frente do que quando o próton está na frente.

5. A Conclusão: O Que Isso Significa?

Os cientistas concluem que:

1. Efeito de "Vento" (Comovers): Na direção do próton, parece que há muitas partículas voando ao redor (como um vento forte) que empurram e desintegram o carro frágil.
2. O Mistério do Chumbo: Na direção do chumbo, a física é diferente. A ausência de destruição extra sugere que, talvez, o "fogo" (QGP) se formou de uma maneira diferente ou que existem mecanismos de proteção que não entendemos totalmente.

A Metáfora Final:
Imagine que você está tentando quebrar um copo de vidro (ψ(2S)) usando um martelo (a colisão).

• Quando você bate o martelo em um bloco de gelo (próton), o vidro quebra facilmente se o bloco estiver cheio de areia (alta multiplicidade).
• Mas quando você bate o martelo em um bloco de chumbo, o vidro não quebra, mesmo que o bloco esteja cheio de areia.
  Isso sugere que o bloco de chumbo cria um "escudo" ou um ambiente tão denso que protege o vidro, ou que a física dentro desse bloco de chumbo é fundamentalmente diferente do que acontece no bloco de gelo.

Resumo para Levar para Casa

Este estudo mostra que a fronteira entre "colisões pequenas" (próton-chumbo) e "colisões grandes" (chumbo-chumbo) não é uma linha reta. Há uma transição misteriosa. O fato de o resultado mudar dependendo de qual partícula está na frente nos diz que a criação de um "mini-universo" de plasma de quarks e glúons é mais complexa e interessante do que imaginávamos. É como descobrir que, dependendo de como você joga a bola contra a parede, a bola pode quicar de formas que desafiam a física comum!

Resumo técnico

Título do Estudo

Medição da razão de seção de choque $\psi(2S)$ para $J/\psi$ em função da multiplicidade em colisões pPb a $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV.

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1. Problema e Contexto Científico

A produção de quarkônios pesados (estados ligados de quark-antiquark, como o charmonium) é uma sonda fundamental para entender a Cromodinâmica Quântica (QCD) em ambientes de alta temperatura e densidade.

• O Cenário: Em colisões de íons pesados (como PbPb), espera-se a formação de um plasma de quarks e glúons (QGP), que suprime a produção de estados de quarkônio (efeito de screening de Debye).
• A Questão: Em colisões de próton-núcleo (pA), como pPb, o sistema é considerado "pequeno", onde a formação de QGP não é esperada. No entanto, observações recentes sugerem que em eventos de alta multiplicidade em sistemas pequenos, podem existir efeitos semelhantes ao QGP.
• O Objetivo: Investigar se há mecanismos de supressão adicionais além dos efeitos de matéria nuclear fria (como perda de energia de partons e saturação de glúons) e efeitos de "comovers" (interações com partículas co-movendo-se no evento final). O foco é comparar o estado excitado $\psi(2S)$ (mais fracamente ligado) com o estado fundamental $J/\psi$, pois o estado excitado é mais sensível a efeitos de dissociação.

2. Metodologia

O estudo utiliza dados coletados pelo experimento LHCb no CERN durante 2016.

• Dados:
  • Colisões pPb (próton-chumbo): Luminosidade integrada de $13.6 \text{ nb}^{-1}$.
  • Colisões Pbp (chumbo-próton): Luminosidade integrada de $20.8 \text{ nb}^{-1}$.
  • Energia no centro de massa: $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV.
• Canal de Decaimento: Os mésons $\psi(2S)$ e $J/\psi$ são reconstruídos no canal de decaimento dileuônico ($\mu^+\mu^-$).
• Seleção de Eventos:
  • Rejeição de múltiplos vértices de colisão (PV) no mesmo evento.
  • Critérios de momento transversal ($p_T$) e pseudorrapidez ($\eta$) para os múons.
  • Separação entre produção prompt (produzida diretamente na interação dura) e não-prompt (originada de decaimentos de hádrons com quark bottom, $b$).
• Variável de Multiplicidade: A dependência da razão de produção é estudada em função da densidade de partículas carregadas primárias ($N_{PV}^{tracks}$, $N_{PV}^{fwd}$, $N_{PV}^{bwd}$) no evento.
  • $N_{PV}^{tracks}$: Número total de traços usados na reconstrução do vértice primário.
  • $N_{PV}^{fwd}$ e $N_{PV}^{bwd}$: Subconjuntos em regiões de pseudorrapidez frontal e traseira, respectivamente.
• Extração de Sinal: Utilização de um ajuste de verossimilhança máxima não-binned em duas dimensões (massa invariante $m_{\mu\mu}$ e pseudotempo de decaimento $t_z$) para separar sinais prompt, não-prompt e fundo.
• Correções: As eficiências de aceitação, reconstrução, identificação de partículas (PID) e gatilho são corrigidas usando simulações ponderadas por dados reais (técnica sPlot).

3. Contribuições Chave

• Medição de Alta Precisão: Primeira medição detalhada da razão $\sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi)$ normalizada em função da multiplicidade para ambas as configurações de feixe (pPb e Pbp) no LHCb.
• Separação de Fontes: Distinção clara entre produção prompt e não-prompt, permitindo isolar efeitos de matéria nuclear fria de possíveis efeitos de meio quente.
• Análise de Assimetria Forward-Backward: Comparação direta entre a direção do próton (p-going) e a direção do chumbo (Pb-going), explorando como a densidade bariônica e o ambiente final variam conforme a direção do feixe.

4. Resultados Principais

• Produção Não-Prompt:

  • Não foi observada nenhuma dependência significativa da razão $\psi(2S)/J/\psi$ em função da multiplicidade, nem em pPb nem em Pbp.
  • Interpretação: Como os hádrons B têm tempos de vida longos, eles decaem fora da região de interação densa, tornando-se insensíveis aos efeitos de supressão do meio (comovers ou QGP).

• Produção Prompt em pPb (Direção do Próton):

  • Observou-se uma tendência de decréscimo clara na razão $\psi(2S)/J/\psi$ à medida que a multiplicidade aumenta.
  • O ajuste linear rejeita fortemente a hipótese de uma razão constante ($p$-valor de $5 \times 10^{-6}$).
  • Este comportamento é consistente com observações em colisões pp e sugere que a supressão é dominada por efeitos de comovers (interações com partículas do estado final).

• Produção Prompt em Pbp (Direção do Chumbo):

  • Resultado Surpreendente: Não foi encontrada nenhuma dependência significativa da multiplicidade na razão $\psi(2S)/J/\psi$ na configuração Pbp.
  • A razão permanece constante mesmo em altas multiplicidades.
  • Interpretação: A ausência de supressão adicional (além do esperado por comovers) na direção do chumbo, onde a densidade de matéria nuclear é maior, sugere que mecanismos de supressão adicionais (como a formação de um pequeno QGP) podem estar atuando de forma diferente ou que a dinâmica de supressão é distinta nesta configuração. O texto sugere que a supressão observada em PbPb (sistemas grandes) pode ter análogos em Pbp, indicando uma transição de sistemas pequenos para grandes.

• Assimetria Forward-Backward:

  • Há uma assimetria pronunciada: o comportamento em pPb (próton indo para frente) é similar ao de colisões pp, enquanto o comportamento em Pbp (chumbo indo para frente) é mais consistente com colisões PbPb (sistemas grandes), onde a supressão de $\psi(2S)$ é mais forte e complexa.

5. Significado e Conclusão

Este trabalho fornece insights cruciais sobre a transição entre sistemas de colisão pequenos (pA) e grandes (AA):

1. Evidência de Novos Mecanismos: Os resultados indicam que, na direção do chumbo (Pb-going), podem existir mecanismos de supressão além dos efeitos de comovers e matéria nuclear fria, possivelmente relacionados à formação de gotas de QGP de vida curta em sistemas pequenos.
2. Validação de Modelos: A dependência da multiplicidade em pPb valida modelos que incluem efeitos de comovers, enquanto a ausência de dependência em Pbp desafia modelos puramente baseados em comovers para explicar a supressão total em sistemas densos.
3. Importância para QGP: O estudo reforça a ideia de que colisões pA de alta multiplicidade podem servir como laboratórios para investigar a formação de plasma de quarks e glúons em escalas menores, ajudando a entender a dinâmica da supressão de quarkônios em diferentes densidades de matéria bariônica.

Em resumo, o artigo demonstra que a supressão de charmonia em colisões pA não é uniforme e depende criticamente da direção do feixe e da densidade de matéria nuclear, oferecendo novas pistas sobre a natureza do meio criado em colisões de alta energia.