Observation of $Υ$(1S) + Z associated production and measurement of the effective double-parton scattering cross section in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a $\sqrt{s}$ = 13 TeV coletados pelo detector CMS, este estudo relata a primeira observação da produção associada de $\Upsilon$(1S) e bósons Z e mede a seção de choque efetiva de espalhamento de duplo partão, incluindo sua dependência do momento transversal.

O essencial

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN como o esmagador de partículas mais poderoso do mundo. A cada segundo, ele dispara dois feixes de prótons (partículas minúsculas que compõem os átomos) um contra o outro quase à velocidade da luz. Quando eles colidem, criam uma explosão caótica de novas partículas.

Durante décadas, os físicos tentaram entender exatamente como essas colisões acontecem. Normalmente, eles assumem que, quando dois prótons colidem, é uma luta "um contra um": uma peça do primeiro próton atinge uma peça do segundo próton, e é só isso. Isso é chamado de Espalhamento de Partícula Única (SPS).

No entanto, este artigo sugere que, às vezes, é mais como um jogo de "dobradinha". Em uma única colisão, dois pares separados de peças podem interagir ao mesmo tempo. Isso é chamado de Espalhamento de Partículas Duplas (DPS).

A Grande Descoberta: Capturando um "Encontro Duplo" Raro

A equipe do CMS (um grupo massivo de cientistas) analisou 138 bilhões de colisões (uma quantidade enorme de dados) para encontrar um evento muito específico e raro. Eles estavam procurando por uma colisão que produzisse duas coisas pesadas e distintas ao mesmo tempo:

1. Um bóson Z: uma partícula pesada que atua como uma mensageira da força nuclear fraca.
2. Um méson $\Upsilon$(1S): uma partícula pesada feita de um quark bottom e sua antipartícula (pense nisso como um átomo muito pesado e de vida curta).

Encontrar essas duas partículas pesadas juntas é como encontrar um par específico de gêmeos em uma multidão de bilhões. A equipe identificou com sucesso 34,6 eventos (com uma certeza estatística de mais de 5 desvios padrão, o que significa que é quase certamente uma descoberta real e não um acaso).

Como Eles Fizeram Isso: A Pista dos "Quatro Múons"

Tanto o bóson Z quanto o méson $\Upsilon$(1S) são instáveis; eles se desintegram instantaneamente. No entanto, ambos têm o hábito de decair em pares de múons (primos pesados dos elétrons).

• O bóson Z se divide em 2 múons.
• O $\Upsilon$(1S) se divide em 2 múons.
• Total: 4 múons saindo da colisão.

Os cientistas agiram como detetives em uma cena de crime. Eles procuraram por esses quatro múons e verificaram se todos vinham exatamente do mesmo lugar (um vértice comum).

• A Teoria "Um contra Um" (SPS): Se fosse uma colisão padrão, todos os quatro múons viriam naturalmente de um único ponto de colisão.
• A Teoria do "Encontro Duplo" (DPS): Se fosse uma colisão dupla, o bóson Z poderia vir de uma colisão e o $\Upsilon$ de uma colisão completamente separada ocorrendo logo ao lado. Neste caso, os múons viriam de dois pontos diferentes.

Ao analisar os ângulos e as distâncias entre os múons, a equipe conseguiu separar os eventos "Um contra Um" dos eventos de "Encontro Duplo".

Os Resultados: Medindo a "Seção de Choque Efetiva"

O artigo calcula um número chamado $\sigma_{eff}$ (sigma-eff). Pense nisso como uma medida de o quão lotado o próton está.

• A Analogia: Imagine que o próton é uma pista de dança movimentada.
  • Se os dançarinos (partons) estiverem espalhados uniformemente, é fácil encontrar dois pares separados para dançar ao mesmo tempo.
  • Se os dançarinos estiverem agrupados em um grupo apertado, é mais difícil para dois pares separados interagirem sem esbarrarem uns nos outros.

A equipe mediu essa "lotação" como sendo 13,0 mb (millibarns). Esse número nos diz a probabilidade de duas interações separadas acontecerem em uma única colisão de prótons.

Um Novo Nível de Detalhe

O que torna este artigo especial é que eles não deram apenas um número médio. Eles mediram essa "lotação" em diferentes intervalos baseados na velocidade com que as partículas se movem (seu momento).

• Eles descobriram que, conforme o méson $\Upsilon$(1S) se move mais rápido, a seção de choque efetiva muda.
• Isso sugere que a "pista de dança" não é uniforme; o arranjo dos dançarinos muda dependendo da força com que você os atinge.

Resumo

Em termos simples, este artigo é a primeira vez que cientistas observaram com sucesso um bóson Z e um méson $\Upsilon$(1S) sendo criados juntos em uma colisão de prótons. Ao estudar este evento raro, eles confirmaram que "colisões duplas" (onde dois pares de partículas interagem ao mesmo tempo) estão acontecendo com mais frequência do que se pensava anteriormente neste cenário específico. Eles usaram isso para mapear a estrutura interna do próton, revelando como seus componentes minúsculos estão organizados no espaço.

Conclusão Principal: Prótons não são apenas bolas de bilhar simples; são nuvens complexas onde múltiplas interações podem acontecer simultaneamente, e este artigo fornece um novo e detalhado mapa de como essas interações ocorrem.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Observação da Produção Associada $\Upsilon(1S) + Z$ e Medição da Seção de Choque Efetiva de Dispersão de Partícula Dupla

Problema e Motivação
O mecanismo de produção de quarkônios pesados em colisões de hádrons continua sendo uma área onde o entendimento teórico é incompleto, particularmente no que diz respeito à hadronização não perturbativa de pares de quark-antiquark pesados. Essa complexidade aumenta significamente quando os quarkônios são produzidos em associação com bósons eletrofracos, como o bóson $Z$. Nesses processos, o estado final pode surgir de dois mecanismos distintos: Dispersão de Partícula Única (SPS, do inglês Single-Parton Scattering), onde um único par de partons interage, ou Dispersão de Partícula Dupla (DPS, do inglês Double-Parton Scattering), onde dois pares independentes de partons interagem dentro da mesma colisão próton-próton.

A contribuição do processo DPS é quantificada pela seção de choque efetiva de DPS, $\sigma_{\text{eff}}$, que está relacionada à distribuição espacial transversal de partons dentro do núcleon. Embora medições experimentais anteriores tenham fornecido valores integrados de $\sigma_{\text{eff}}$ para vários processos, há uma falta de dados em relação à dependência de $\sigma_{\text{eff}}$ em variáveis cinemáticas, como o momento transversal ($p_T$). Modelos teóricos lutam para capturar totalmente a interação entre SPS e DPS em canais de produção associada. Este estudo aborda essas lacunas investigando a produção associada de um méson $\Upsilon(1S)$ e um bóson $Z$ em colisões próton-próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisão próton-próton coletados pelo detector CMS no CERN LHC durante os períodos de corrida de 2016–2018, correspondentes a uma luminosidade integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Seleção de Eventos: Tanto o bóson $Z$ quanto os méson $\Upsilon(nS)$ ($n=1, 2, 3$) são reconstruídos através de seus decaimentos em pares de múons de sinais opostos ($\mu^+\mu^-$). O canal de sinal requer quatro múons no estado final.

  • Candidatos a $\Upsilon$: Os múons devem satisfazer critérios de identificação suaves (soft), $p_T > 3$ GeV, $|\eta| < 2.4$, e uma massa invariante entre 8.5 e 11 GeV.
  • Candidatos a $Z$: Os múons devem satisfazer critérios de identificação rigorosos (tight), com limiares de $p_T$ de líder e subleader de 30 e 15 GeV respectivamente, $|\eta| < 2.4$, e uma massa invariante entre 66 e 116 GeV.
  • Vértice: Um requisito crucial é que todos os quatro múons devem se originar de um vértice comum com uma probabilidade de ajuste $>1\%$. Isso suprime o fundo de interações de pileup onde o $\Upsilon$ e o $Z$ se originam de colisões independentes.
  • Isolamento: Os múons devem ser isolados de atividade hadrônica, com razões de isolamento específicas ($I$) aplicadas dependendo se pertencem ao candidato $\Upsilon$ ou $Z$.

• Normalização: Para reduzir as incertezas sistemáticas, a seção de choque do sinal é normalizada para a seção de choque fiducial da produção $Z \to 4\mu$. Este canal de normalização utiliza critérios de seleção semelhantes, mas não exige um vértice comum para todos os quatro múons, uma vez que o fundo proveniente de vértices independentes nesta janela de massa é negligenciável.

• Análise Estatística:

  • Extração de Sinal: É realizada uma adequação (fit) de máxima verossimilhança não parametrizada estendida em duas dimensões (massas invariantes dos candidatos $\Upsilon$ e $Z$). As formas do sinal são modeladas usando funções Voigtian e Gaussiana, enquanto os fundos são descritos por funções exponenciais.
  • Separação SPS vs. DPS: A técnica $sPlot$ é usada para extrair pesos para os eventos de sinal. Esses pesos são aplicados às distribuições da diferença de rapidez ($\Delta y$) e da diferença de ângulo azimutal ($\Delta \phi$) entre os candidatos $\Upsilon$ e $Z$. Um ajuste de template 2D usando estimativa de densidade de núcleo (derivada de simulação) separa as contribuições de SPS e DPS.

Principais Contribuições e Resultados

1. Observação de $Z + \Upsilon(1S)$: A análise observa $34.6 \pm 9.0$ eventos de produção $Z + \Upsilon(1S)$. A significância estatística deste sinal, em relação à hipótese de apenas fundo, é de 5.3 desvios padrão, constituindo a primeira observação deste canal de produção associada. Sinais para $Z + \Upsilon(2S)$ e $Z + \Upsilon(3S)$ apresentaram significâncias abaixo de 3 desvios padrão.
2. Razão de Seção de Choque Fiducial: A razão das seções de choque fiduciais é medida como:
   $$R_{Z+\Upsilon(1S)} = \frac{\sigma(pp \to Z + \Upsilon(1S)) \mathcal{B}(Z \to \mu^+\mu^-) \mathcal{B}(\Upsilon(1S) \to \mu^+\mu^-)}{\sigma(pp \to Z) \mathcal{B}(Z \to 4\mu)} = (21.1 \pm 5.5 \text{ (est)} \pm 0.6 \text{ (sist)}) \times 10^{-3}$$
3. Fração de DPS e $\sigma_{\text{eff}}$: O ajuste às distribuições de $\Delta y$ e $\Delta \phi$ resulta em uma fração de DPS de $f_{\text{DPS}} = 0.95 \pm 0.25$. Consequentemente, o rendimento de DPS é determinado como $32.9 \pm 8.7$ eventos. Usando este rendimento e a razão medida, a seção de choque efetiva de dispersão de partícula dupla é extraída:
   $$\sigma_{\text{eff}} = 13.0^{+7.7}_{-3.4} \text{ mb}$$
   Este valor é consistente com medições anteriores de $\sigma_{\text{eff}}$ de processos de quarkônio duplo e outros processos de múltiplos jatos.
4. Medição Diferencial: Pela primeira vez, $\sigma_{\text{eff}}$ é medido em intervalos (bins) do momento transversal ($p_T$) do méson $\Upsilon(1S)$ e do bóson $Z$. Os resultados não mostram desvio significativo do valor inclusivo dentro das grandes incertezas estatísticas, embora a tendência sugira uma potencial diminuição de $\sigma_{\text{eff}}$ com o aumento do $p_T$ do $\Upsilon(1S)$, consistente com as expectativas de que quarkônios de maior $p_T$ se originam de partons mais próximos do núcleo do próton.

Significância
O artigo relata a primeira observação da produção associada $\Upsilon(1S) + Z$ em colisões próton-próton. Ao separar com sucesso os componentes SPS e DPS, o estudo fornece uma medição de $\sigma_{\text{eff}}$ em um novo regime cinemático envolvendo um estado de quarkônio pesado e um bóson eletrofraco. A principal significância reside na primeira medição diferencial de $\sigma_{\text{eff}}$ como função de $p_T$ para estas partículas específicas. Estas medições em intervalos oferecem novas restrições para modelos teóricos de funções de distribuição de partons duplos e para a estrutura transversal do próton, abordando a limitação de estudos anteriores que forneciam apenas medições integradas sobre todo o espaço de fase. O resultado é consistente com a interpretação geométrica de $\sigma_{\text{eff}}$ e apoia a validade do uso deste parâmetro para quantificar contribuições de DPS em estados finais complexos.