Observation of structures in the $J/\psi +\psi(2S)$ mass spectrum with the ATLAS detector

Resumo Técnico: Observação de estruturas no espectro de massa $J/\psi + \psi(2S)$ com o detector ATLAS

Problema e Motivação
A natureza dos hádrons exóticos, particularmente os tetraquarks de quatro charmos ($T_{cccc}$), permanece uma área crítica para a compreensão da Cromodinâmica Quântica (QCD) no regime não perturbativo. Após a observação em 2020 pela Colaboração LHCb de uma ressonância estreita perto de 6,9 GeV ($X(6900)$) no espectro de di-$J/\psi$, confirmações subsequentes por ATLAS e CMS, e medições recentes de números quânticos pelo CMS, há a necessidade de investigar se estruturas ressonantes semelhantes existem em outros canais de decaimento. Especificamente, este estudo aborda a busca por estruturas ressonantes no espectro de massa $J/\psi + \psi(2S)$. Embora o canal $J/\psi + \psi(2S)$ tenha sido previamente estudado pelo ATLAS, esta análise estende a investigação ao reconstruir o modo de decaimento $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$, que oferece uma fração de ramificação total mais de duas vezes maior que o modo $\psi(2S) \to \mu^+\mu^-$, aumentando o potencial de rendimento de sinal.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondentes a uma luminosidade integrada de 140 fb$^{-1}$, registrados pelo detector ATLAS durante 2015–2018. O estudo foca em dois canais de decaimento:

1. $J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu$
2. $J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu + 2\pi$ (via $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$)

Seleção de Eventos e Estimativa de Background:
Os eventos são selecionados utilizando gatilhos (triggers) de di-múons e tri-múons. Candidatos a sinal requerem quatro múons formando dois pares de cargas opostas consistentes com as massas de $J/\psi$ e $\psi(2S)$. Para o canal $4\mu+2\pi$, são exigidas duas trilhas carregadas adicionais de sinais opostos. Um ajuste simultâneo é realizado utilizando Regiões de Sinal (SRs) e Regiões de Controle (CRs). As SRs e CRs são definidas com base na distância angular $\Delta R$ entre os dois candidatos de charmonia ($\Delta R < 0,25$ para SRs, $\ge 0,25$ para CRs). Esta estratégia permite a restrição das normalizações de background e a validação da forma do background de Espalhamento de Partícula Única (SPS).

Os backgrounds são categorizados como:

• Outros: Eventos com no máximo um charmonium real (estimados via métodos de sideband baseados em dados).
• Não-prompt (Nonprompt): Charmonium proveniente de decaimentos de hádrons $b$ (estimados via MC, corrigidos em um CR dedicado).
• Espalhamento de Partículas Duplas (DPS): Estimado via MC, restringido em um CR com alta massa de di-charmonium.
• SPS: Produção prompt de di-charmonium (estimada via MC, com a forma restringida pelo parâmetro Pythia $pT0timesMPI$).

Para o canal $4\mu+2\pi$, uma Árvore de Decisão Potencializada (BDT) é empregada para suprimir o background de "feed-up" do canal di-$J/\psi$, onde trilhas aleatórias são identificadas incorretamente como píons.

Modelagem de Sinal e Estratégia de Ajuste
Ajustes de máxima verossimilhança não parametrizados (unbinned maximum likelihood fits) são realizados nos espectros de massa $m_{4\mu}$ e $m_{4\mu+2\pi}$. Três modelos de sinal representativos são considerados para dar conta de potenciais efeitos de interferência:

• Modelo A: Dois ressonâncias Breit–Wigner (BW) de onda-S interferentes (assumindo que o $X(6900)$ observado em di-$J/\psi$ também decai para $J/\psi+\psi(2S)$).
• Modelo B: Uma ressonância interferindo com o background SPS e uma segunda ressonância independente.
• Modelo C: Uma única ressonância BW independente (considerando apenas canais $J/\psi+\psi(2S)$).

O ajuste extrai simultaneamente os rendimentos de sinal, massas e larguras. A razão de larguras de decaimento parcial, $R = \Gamma(X(6900) \to J/\psi+\psi(2S)) / \Gamma(X(6900) \to \text{di-}J/\psi)$, é tratada como um parâmetro livre nos Modelos A e B. Uma busca por uma segunda ressonância perto de 7,2 GeV ($X(7200)$) também é conduzida adicionando um componente independente aos modelos.

Resultados Principais

• Observação de $X(6900)$: Um excesso significativo é observado perto de 6,9 GeV em ambos os canais $4\mu$ e $4\mu+2\pi$. A significância combinada atinge 8,9$\sigma$ (calculada com os parâmetros de forma do sinal fixados em seus valores de melhor ajuste).
• Propriedades da Ressonância: A massa ajustada é consistentemente em torno de 6,9 GeV em todos os modelos. A largura varia conforme o modelo: aproximadamente 0,08 GeV para o Modelo A e 0,18 GeV para os Modelos B e C.
• Razão de Largura Parcial: Sob a suposição do Modelo A (nominal) e do Modelo B (avaliação sistemática), a razão das larguras de decaimento parcial é determinada como sendo $R = 1,08 \pm 0,20 \pm 0,40$ (incertezas estatística e sistemática). Isto sugere que as frações de ramificação para $J/\psi+\psi(2S)$ e di-$J/\psi$ são comparáveis.
• Busca por $X(7200)$: Nenhum sinal significativo é observado perto de 7,2 GeV. Um limite superior para o rendimento de um potencial $X(7200)$ relativo ao $X(6900)$ é estabelecido em 0,41 ao nível de confiança de 95%.
• Validação de Background: Os métodos de estimativa de background mostram boa concordância com os dados nas regiões de controle, validando a forma e a normalização do background SPS.

Significância e Alegações
O artigo afirma que esta análise confirma a presença de estruturas nos canais $J/\psi+\psi(2S)$, favorecendo uma hipótese de ressonância única perto de 6,9 GeV. O resultado supera as medições anteriores da mesma colaboração (Ref. [13]) ao fornecer determinações mais precisas de massa e largura e ao atingir uma significância estatística mais alta (8,9$\sigma$ comparado a 4,7$\sigma$ na análise anterior de apenas di-$J/\psi$). O achado de que a razão da largura de decaimento parcial está próxima da unidade apoia cenários onde o $X(6900)$ acopla-se de forma semelhante a ambos os estados finais de di-charmonium. O artigo conclui que, embora a existência de uma ressonância perto de 7,2 GeV não seja suportada pelos dados atuais, conjuntos de dados futuros serão necessários para determinar precisamente a natureza, os números quânticos e potenciais ressonâncias adicionais destes estados exóticos.