Inclusive $ψ(2S)$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Este artigo apresenta a primeira medição da produção inclusiva de mésons $\psi(2S)$ no centro de rapidez em colisões pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV pelo detector ALICE, reportando a seção de choque diferencial em função do momento transversal e a razão em relação ao J/$\psi$, observando um leve aumento dessa razão com o aumento do $p_{\rm T}$ e comparando os resultados com previsões teóricas do NRQCD e do modelo ICEM.

O essencial

Imagine que o universo é uma grande cozinha onde partículas subatômicas são os ingredientes. O LHC (Grande Colisor de Hádrons), no CERN, é o fogão gigante que aquece esses ingredientes a temperaturas extremas, fazendo com que eles colidam e se transformem em novas "receitas" de matéria.

Este artigo da colaboração ALICE é como um relatório de chefs que estão estudando uma receita muito específica e difícil de fazer: a criação de uma partícula chamada $\psi(2S)$ (psi-2-s).

Aqui está a explicação do que eles fizeram, usando analogias do dia a dia:

1. O Que Eles Estavam Procurando? (O "Filho" e o "Pai")

Na física de partículas, existem "famílias". O J/$\psi$ é como um pai famoso e comum. O $\psi(2S)$ é o filho dele: tem a mesma "essência" (são feitos dos mesmos blocos de construção, chamados quarks de charme), mas é um pouco mais pesado e instável.

• A Analogia: Imagine que o J/$\psi$ é um carro popular e o $\psi(2S)$ é um modelo esportivo mais caro e raro da mesma marca. Os cientistas querem saber: "Quando batemos dois carros em alta velocidade (colisão de prótons), com que frequência surgem os modelos esportivos em comparação aos populares?"

2. O Grande Desafio: A "Agulha no Palheiro"

O problema é que o $\psi(2S)$ é muito raro. Em meio a bilhões de colisões, ele aparece muito menos que o J/$\psi$. É como tentar encontrar uma agulha específica em um palheiro gigante, enquanto o palheiro está cheio de palhas comuns (o J/$\psi$) e lixo (outras partículas).

• O Truque do ALICE: Para achar essa agulha, eles não olharam para todas as colisões (que seriam demais). Eles usaram um "filtro inteligente" chamado Detector de Radiação de Transição (TRD).
• A Analogia: Imagine que você está em uma festa lotada procurando alguém que usa óculos vermelhos. Em vez de olhar para todos, você pede para a segurança avisar apenas quando alguém com óculos vermelhos entrar. Isso aumenta drasticamente suas chances de encontrar a pessoa certa. O TRD fez exatamente isso: ele disparou um alarme sempre que detectou elétrons de alta energia, que são os "filhos" deixados pelo $\psi(2S)$ quando ele decai.

3. O Que Eles Descobriram?

Com esse filtro inteligente, eles conseguiram medir a produção do $\psi(2S)$ em uma faixa de energia (momento transversal) que ninguém havia medido antes no centro da colisão (rapidez média).

• A Descoberta Principal: Eles viram que, conforme a energia da colisão aumenta, a proporção de "modelos esportivos" ($\psi(2S)$) em relação aos "carros populares" (J/$\psi$) aumenta um pouquinho.
• A Analogia: É como se, quanto mais forte fosse a batida na cozinha, mais provável fosse que o chef conseguisse montar o modelo esportivo complexo, em vez de apenas o carro simples.

4. A Batalha Teórica: O Palpite vs. A Realidade

Os físicos têm duas grandes teorias (receitas teóricas) para prever como essas partículas se formam:

1. NRQCD (A Receita Detalhada): Uma teoria complexa que considera muitas regras da mecânica quântica.
2. ICEM (A Receita Simplificada): Uma teoria que assume que a formação da partícula é mais simples e direta.

• O Resultado: A teoria NRQCD acertou em cheio! Ela previu exatamente o que os cientistas viram no laboratório. A teoria ICEM, por outro lado, achou que a proporção de partículas esportivas deveria ficar mais ou menos a mesma, independente da força da batida. Mas a realidade mostrou que ela sobe um pouco. Isso diz aos teóricos: "Ei, a nossa receita simplificada precisa de um ajuste fino!"

5. Por Que Isso Importa?

Você pode pensar: "Ok, eles contaram algumas partículas raras. E daí?"

• O "Porquê": Entender como essas partículas se formam é como entender a "cola" que mantém o universo unido. O $\psi(2S)$ é sensível às forças que ligam os quarks.
• A Analogia Final: Se quisermos entender como o universo se formou logo após o Big Bang (quando existia uma "sopa" de quarks e glúons chamada Plasma de Quarks-Glúons), precisamos primeiro entender como essas partículas se comportam em colisões normais (como as de hoje). O ALICE está criando o "manual de instruções" básico. Sem esse manual, não conseguimos entender o que acontece nas colisões mais extremas, onde tentamos recriar os primeiros segundos do universo.

Resumo em uma frase

A colaboração ALICE usou um filtro inteligente para encontrar uma partícula rara e descobriu que ela aparece um pouco mais frequentemente em colisões de alta energia do que as teorias mais simples previam, confirmando que a nossa compreensão da "cola" do universo (a força forte) está no caminho certo, mas ainda tem detalhes para refinar.

Resumo técnico

1. O Problema e o Contexto Científico

O estudo foca na produção de cármonios (estados ligados de um quark charm e um anti-quark charm), especificamente o méson ψ(2S), em colisões próton-próton (pp) a uma energia de centro de massa de √s = 13 TeV.

• Desafio Teórico: A produção de quarkônios envolve escalas de energia muito diferentes (a massa pesada do quark charm e as escalas suaves de momento e energia de ligação). Isso exige modelos teóricos que fatorializem o processo de produção perturbativa (curta distância) da hadronização não perturbativa (longa distância). Modelos como o NRQCD (Cromodinâmica Quântica Não Relativística) e o ICEM (Melhorado Modelo de Evaporação de Cor) são usados para prever essas taxas, mas há incertezas sobre a universalidade das frações de fragmentação e a dependência do sistema de colisão.
• Lacuna Experimental: Embora a produção de J/ψ tenha sido bem medida, medições precisas do ψ(2S) (o primeiro estado excitado do J/ψ) em rapidez central (midrapidity, |y| < 0.9) e em baixo momento transversal (pT) eram limitadas ou inexistentes no LHC. Medições anteriores de outras colaborações (CMS, ATLAS) cobriam faixas de pT mais altas ou energias de colisão menores.

2. Metodologia Experimental

A medição foi realizada utilizando o detector ALICE no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

• Dados: A análise utiliza dados de colisões pp de 2017 e 2018, com uma luminosidade integrada de 1,7 ± 1,8% pb⁻¹.
• Gatilho (Trigger): Diferente de medições anteriores que usavam gatilhos de "viés mínimo" (Minimum Bias - MB), esta análise empregou um gatilho de nível 1 do Detector de Radiação de Transição (TRD). O TRD foi configurado para disparar na presença de elétrons ou pósitrons com pT ≥ 2 GeV/c. Isso aumentou drasticamente a eficiência de seleção de eventos contendo quarkônios (fator de aprimoramento de ~34 vezes em comparação com o MB).
• Reconstrução: Os mésons ψ(2S) e J/ψ foram reconstruídos através do seu canal de decaimento em par elétron-pósitron (e⁺e⁻).
  • As trajetórias foram reconstruídas usando o Sistema de Rastreamento Interno (ITS) e a Câmara de Projeção Temporal (TPC).
  • A identificação de partículas (PID) foi realizada combinando a perda de energia específica (dE/dx) na TPC com a detecção de radiação de transição no TRD.
• Análise de Sinal: As distribuições de massa invariante dos pares e⁺e⁻ foram ajustadas para extrair as yields (contagens) brutas do ψ(2S) e do J/ψ, subtraindo o fundo combinatorial (estimado pela técnica de eventos mistos) e o fundo correlacionado (decaimentos semileptônicos de hádrons pesados).
• Correções: As yields brutas foram corrigidas para aceitação geométrica, eficiência de reconstrução, eficiência do gatilho TRD e a janela de massa de integração. Simulações de Monte Carlo (PYTHIA 6.4 e GEANT3) foram essenciais para determinar essas eficiências.

3. Principais Contribuições

• Primeira Medição em Rapidez Central: Esta é a primeira medição da seção de choque de produção diferencial em pT do ψ(2S) inclusivo em rapidez central (|y| < 0.9) no LHC.
• Extensão de Faixa de pT: A análise estende a faixa de momento transversal acessível para baixo, cobrindo 4 a 16 GeV/c. Isso preenche uma lacuna crucial entre as medições de baixa energia e as medições de alto pT de outras colaborações (que começam acima de 8 ou 20 GeV/c).
• Razão ψ(2S)/J/ψ: Fornece a primeira medição consistente da razão entre as seções de choque de produção do ψ(2S) e do J/ψ na mesma faixa de pT e rapidez, utilizando o mesmo conjunto de dados e metodologia de análise.

4. Resultados Chave

• Seção de Choque de Produção: A seção de choque diferencial em pT do ψ(2S) foi medida com precisão. Os dados mostram um espectro que cai rapidamente com o aumento do pT.
• Comparação com ATLAS: Na região de sobreposição (8–16 GeV/c), os resultados do ALICE são consistentes com os dados inclusivos derivados da colaboração ATLAS.
• Comparação com Teoria:
  • NRQCD: Os cálculos NRQCD (NLO) descrevem quantitativamente bem os dados em toda a faixa de pT medida, incluindo a contribuição não-prompt (decaimentos de hádrons beauty) calculada via FONLL.
  • ICEM: O modelo ICEM também é consistente com os dados dentro das incertezas, embora tenda a subestimar ligeiramente a seção de choque absoluta.
• Razão ψ(2S)/J/ψ:
  • Observou-se um leve aumento na razão ψ(2S)/J/ψ à medida que o pT aumenta.
  • Esta tendência é consistente com as previsões do modelo NRQCD, que prevê espectros de pT mais "duros" (mais rígidos) para estados mais pesados.
  • O modelo ICEM prevê uma razão quase plana (independente de pT), o que contrasta com a tendência de crescimento observada nos dados, embora as incertezas teóricas sejam grandes.
  • A razão medida é compatível com medições em rapidez frontal (forward rapidity) do próprio ALICE, indicando pouca dependência de rapidez nesta razão.

5. Significância

Este trabalho é fundamental para a compreensão da hadronização de quarks pesados e dos mecanismos de formação de quarkônios:

1. Teste de Universalidade: Ao medir a razão ψ(2S)/J/ψ em diferentes faixas de pT e comparar com modelos, o estudo testa a hipótese de que as frações de fragmentação e os elementos de matriz de longa distância (LDMEs) são universais, independentes do sistema de colisão.
2. Base para Colisões de Íons Pesados: As medições em colisões pp servem como linha de base essencial para interpretar resultados em colisões núcleo-núcleo (Pb-Pb), onde a supressão de quarkônios é um dos principais sinais da formação do Plasma de Quarks e Glúons (QGP).
3. Refinamento de Modelos: A observação de um aumento na razão com o pT fornece um dado crucial para refinar os parâmetros dos modelos teóricos (como os LDMEs no NRQCD) e entender a dinâmica de ordem superior na QCD.

Em resumo, o artigo estabelece um novo marco experimental na física de quarkônios no LHC, fornecendo dados de alta precisão em uma região de fase anteriormente inacessível, o que valida e desafia os modelos teóricos atuais de produção de matéria hadrônica.