Measurement of the $Υ$(1S), $Υ$(2S), and $Υ$(3S) differential cross sections in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

O experimento CMS mediu as seções de choque diferenciais de produção dos mésons $\Upsilon$(1S), $\Upsilon$(2S) e $\Upsilon$(3S) em colisões próton-próton a $\sqrt{s}$ = 13,6 TeV usando 37,4 fb$^{-1}$ de dados de 2022, analisando seus decaimentos em pares de múons através de intervalos específicos de momento transversal e rapidez.

O essencial

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN como o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, essencialmente uma pista de corrida gigante onde prótons (partículas subatômicas minúsculas) são colididos a quase a velocidade da luz. Quando esses prótons colidem, eles criam uma explosão caótica de energia que forma brevemente novas partículas exóticas antes de se transformarem instantaneamente em outra coisa.

Este artigo é um relatório detalhado do experimento CMS, um dos detectores gigantes situados nessa pista de corrida. A equipe está estudando uma família específica dessas partículas exóticas chamada bottomônio (especificamente os estados $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$).

Aqui está uma análise do que eles fizeram e descobriram, usando analogias simples:

1. Os "Pesos-Pesados" do Mundo das Partículas

Pense nas partículas do universo como uma família de instrumentos musicais. Algumas são leves e rápidas (como uma flauta), enquanto outras são pesadas e lentas (como uma tuba).

• O bottomônio é feito de um quark "beleza" e sua antipartícula. Eles são as "tubas" do mundo das partículas — pesados e lentos para se mover.
• O artigo foca em três notas específicas nesta família: o $\Upsilon(1S)$ (a nota mais baixa e profunda), o $\Upsilon(2S)$ (uma nota ligeiramente mais alta) e o $\Upsilon(3S)$ (uma nota ainda mais alta).
• Os cientistas querem saber exatamente com que frequência essas "tubas" são criadas quando os prótons colidem entre si.

2. O Experimento: Um Ensaio Fotográfico de Alta Velocidade

Os pesquisadores utilizaram dados coletados em 2022 de colisões onde a energia era de 13,6 TeV (uma quantidade massiva de energia, como um mosquito atingindo um para-brisa, mas em escala atômica).

• Os Dados: Eles analisaram uma enorme quantidade de dados, equivalente a 37,4 "inverse femtobarns" de colisões. Para usar uma analogia, se um femtobarn é um grão de areia minúsculo, eles analisaram uma montanha deles para encontrar essas partículas raras.
• A Detecção: Essas partículas pesadas não permanecem por muito tempo; elas se decompõem instantaneamente em dois múons (partículas semelhantes a elétrons, mas muito mais pesadas). O detector CMS é como uma câmera de alta velocidade que tira fotos desses dois múons voando para longe. Ao medir a velocidade com que eles voam e para onde vão, os cientistas podem reconstruir a partícula "mãe" que criou o par.

3. A Medição: Contando as Notas

O objetivo principal foi medir a seção de choque de produção (production cross-section). Em linguagem cotidiana, isso é apenas uma forma elegante de perguntar: "Qual a probabilidade de criarmos uma dessas partículas?"

Eles mediram isso de duas maneiras:

• Velocidade (Momento Transverso, $p_T$): Com que força a partícula foi chutada lateralmente? Eles observaram partículas movendo-se em velocidades variando de 20 a 200 GeV (uma faixa muito ampla).
• Ângulo (Rapidez, $y$): A partícula voou direto para fora do ponto de colisão ou disparou em um ângulo? Eles observaram duas "zonas" específicas de ângulos.

O Resultado: Eles conseguiram contar quantas dessas partículas foram feitas em cada categoria de velocidade e ângulo. Descobriram que:

• Quanto mais pesada a partícula (a "nota" mais alta), menos delas são produzidas.
• Quanto mais rápido elas são chutadas lateralmente, menos delas são produzidas (o que faz sentido; é mais difícil chutar um objeto pesado muito rápido).
• Os resultados para as duas diferentes zonas de ângulo foram quase idênticos.

4. Por Que Isso Importa: O "Livro de Receitas"

O artigo explica que nossa compreensão atual de como essas partículas são feitas depende de uma teoria chamada NRQCD (Cromodinâmica Quântica Não-Relativística). Pense nesta teoria como um livro de receitas para fazer matéria.

• A receita tem ingredientes chamados Elementos de Matriz de Longo Alcance (LDMEs). Estes são como "temperos secretos" na receita. Sabemos que a receita existe, mas não sabemos a quantidade exata de tempero necessária porque não podemos calculá-la apenas com matemática.
• Para descobrir a quantidade certa de "tempero", os cientistas precisam olhar para os dados do mundo real (como este artigo) e dizer: "Ok, se usarmos esta quantidade de tempero, a receita prevê exatamente o que vemos no detector".
• A Contribuição do Artigo: Ao medir essas partículas em uma energia mais alta (13,6 TeV) e velocidades mais altas (até 200 GeV) do que nunca antes, este artigo fornece novas e mais rigorosas restrições para o livro de receitas. Ele diz aos teóricos: "Sua receita atual funciona bem, mas se você ajustar esses números específicos, ela combinará perfeitamente com nossos novos dados de alta velocidade".

5. O Efeito "Feed-Down"

Um detalhe interessante que o artigo menciona é o "feed-down" (decaimento descendente).

• Imagine que você está contando quantos $\Upsilon(1S)$ (a nota mais baixa) são produzidos.
• No entanto, alguns dos $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ (as notas mais altas) são instáveis e rapidamente decaem em $\Upsilon(1S)$.
• Portanto, quando o detector vê um $\Upsilon(1S)$, ele pode ter sido criado diretamente ou pode ser um "neto" de uma partícula mais pesada. O artigo inclui todos esses na contagem, garantindo que a imagem total esteja completa.

Resumo

Em suma, a equipe do CMS tirou um instantâneo massivo de colisões de prótons em velocidades recordes. Eles contaram quantas partículas "beleza" pesadas foram criadas em diferentes velocidades e ângulos. Descobriram que os atuais "livros de receitas" teóricos geralmente acertam as tendências, mas esses novos dados de alta precisão ajudarão os cientistas a refinar as receitas para entender ainda melhor as forças fundamentais da natureza.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Medição das Seções de Choque Diferenciais de $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ em Colisões $pp$a$\sqrt{s} = 13,6$ TeV

Problema e Contexto
A produção de estados de quarkônio pesado, especificamente o bottomônio ($\Upsilon(nS)$), serve como uma sonda crítica para compreender a formação de hádrons dentro do arcabouço da Cromodinâmica Quântica (QCD). A descrição teórica predominante, a QCD Não-Relativística (NRQCD), postula que a produção de quarkônios envolve uma fatoração de efeitos de curta distância (calculáveis via QCD perturbativa) e efeitos de longa distância (parametrizados por Elementos de Matriz de Longa Distância, ou LDMEs). Embora os coeficientes de curta distância sejam computados até a ordem próxima à liderança (NLO), os LDMEs devem ser extraídos de ajustes globais a dados experimentais. Um desafio significativo neste campo é a dependência dos LDMEs extraídos em relação aos conjuntos de dados específicos, limiares cinemáticos e à inclusão de medições de polarização. Medições anteriores pelo Colaboração CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV estabeleceram uma linha de base, mas estender o alcance cinemático para momentos transversos ($p_T$) mais altos e utilizar a maior energia de colisão de 13,6 TeV é necessário para fornecer restrições mais rigorosas sobre esses parâmetros fenomenológicos.

Metodologia
Esta análise utiliza um conjunto de dados de colisões próton-próton coletado pelo experimento CMS em 2022 a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13,6$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de $37,4 \text{ fb}^{-1}$. A medição foca nos canais de decaimento dimuon ($\Upsilon(nS) \to \mu^+\mu^-$) para o estado fundamental $\Upsilon(1S)$ e os estados excitados $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$.

• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados via um sistema de gatilho de dois níveis. O gatilho de Nível-1 (L1) exige pelo menos dois múons de sinais opostos com $p_T > 4,5$ GeV e uma massa dimuon $m_{\mu\mu} > 7$ GeV. O Gatilho de Alto Nível (HLT) refina isso para $8,5 < m_{\mu\mu} < 11,5$ GeV, $p_T > 9,9$ GeV e $|y| < 1,4$. A seleção offline exige múons com $p_T > 10$ GeV e $|\eta| < 1,4$, com uma probabilidade de ajuste de vértice dimuon $> 1\%$.
• Extração de Rendimento: Os rendimentos de sinal, $N(p_T, |y|)$, são extraídos em bins bidimensionais de momento transverso ($20 \le p_T \le 200$ GeV) e rapidez ($|y| < 0,6$ e $0,6 < |y| < 1,2$). Isso é alcançado através de um ajuste de máxima verossimilhança estendido ao espectro de massa invariante dimuon. O modelo de sinal compreende três ressonâncias, cada uma descrita por uma soma de duas funções Crystal Ball, enquanto o fundo é modelado por um polinômio de segunda ordem. Os parâmetros de forma para as ressonâncias são restringidos usando valores de massa médias mundiais e relações de escala derivadas de simulação.
• Eficiência e Aceitação: As seções de choque diferenciais são calculadas usando a fórmula:
  $$\mathcal{B} \frac{d^2\sigma}{dy dp_T} = \frac{N(p_T, |y|)}{\mathcal{L} \Delta y \Delta p_T} \frac{1}{\epsilon(p_T, |y|)} \frac{1}{A(p_T, |y|)}$$
  onde $\mathcal{L}$ é a luminosidade integrada. A aceitação $A(p_T, |y|)$ é determinada via simulação de Monte Carlo (PYTHIA 8.306 com tune CP5 e PDFs NNLO NNPDF3.1), assumindo produção não polarizada. A eficiência de detecção $\epsilon(p_T, |y|)$ é medida usando o método tag-and-probe em dados, contabilizando eficiências de gatilho, reconstrução e identificação, bem como uma correção para ineficiências de gatilho de pares de múons quando as trilhas estão próximas no espaço de fase.
• Incertezas Sistemáticas: As principais fontes incluem a medição da luminosidade (1,4%), extração de rendimento de sinal (variando modelos de ajuste para sinal e fundo), modelagem de aceitação (reponderação de distribuições simuladas) e incertezas de eficiência (propagadas de estudos de tag-and-probe e emulação de gatilho de pares de múons).

Principais Contribuições e Resultados
O artigo reporta a primeira medição das seções de choque diferenciais de $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.

• Alcance Cinemático: A análise estende o alcance de $p_T$ do resultado anterior do CMS a 13 TeV (que parava em 100 GeV) até 200 GeV.
• Seções de Choque: As seções de choque medidas, multiplicadas pelas frações de ramificação dimuon, são fornecidas para o cenário não polarizado. Os resultados incluem contribuições de feed-down de estados de bottomônio mais pesados.
• Razões: As razões de estados excitados para o estado fundamental ($\Upsilon(2S)/\Upsilon(1S)$ e $\Upsilon(3S)/\Upsilon(1S)$) são apresentadas. Estas razões parecem atingir um patamar para $p_T \gtrsim 55$ GeV.
• Comparação com Teoria: As seções de choque medidas são comparadas com previsões de NRQCD que incluem feed-down de bottomônios de onda S e P. As previsões descrevem as tendências gerais dos dados razoavelmente bem.
• Escalonamento de Energia: Razões das seções de choque de $\Upsilon(1S)$ entre a medição de 13,6 TeV e medições anteriores a 7 e 13 TeV são fornecidas, mostrando consistência dentro das incertezas.

Significância
Os autores afirmam que estes resultados constituem uma importante entrada para ajustes globais de seções de choque e polarizações de quarkônios. Ao fornecer medições diferenciais precisas sobre um amplo intervalo de $p_T$ em uma nova energia de colisão, os dados ajudam a restringir os Elementos de Matriz de Longa Distância (LDMEs) que determinam a produção inclusiva de quarkônios dentro do arcabouço NRQCD. O artigo enfatiza que, embora a comparação específica com curvas de NRQCD seja ilustrativa, as novas medições fornecem restrições necessárias para análises fenomenológicas aprimoradas. Os resultados são disponibilizados no registro HEPData para facilitar novos desenvolvimentos teóricos.