Measurements of the production of W$^{\pm}$ and Z$^0$ bosons in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Este artigo apresenta medições das seções de choque de produção dos bósons W$^{\pm}$ e Z$^0$ em colisões pp a 13 TeV com o detector ALICE no LHC, incluindo a primeira observação da dependência da produção de bósons W$^{\pm}$ e de hádrons correlacionados em azimute com a multiplicidade de partículas carregadas, cujos resultados são comparados com cálculos de QCD perturbativa.

O essencial

Título: A Dança das Partículas: Como o CERN "Viu" o Invisível no Colisor de Partículas

Imagine que o CERN (a organização europeia de pesquisa nuclear) é como uma pista de dança gigante e super rápida, onde partículas subatômicas (os "dançarinos" mais pequenos do universo) colidem umas com as outras a velocidades próximas da da luz. O objetivo do experimento ALICE é observar o que acontece nessas colisões.

Neste novo estudo, os cientistas olharam especificamente para colisões entre dois prótons (partículas que formam o núcleo dos átomos) com uma energia muito alta (13 TeV). Eles queriam encontrar dois "super-heróis" muito raros e pesados que aparecem nessas colisões: os Bósons W e Z.

1. Quem são os Bósons W e Z?

Pense neles como mensageiros pesados e rápidos.

• Eles são gerados no momento da colisão, mas são tão instáveis que desaparecem quase instantaneamente.
• Para "vê-los", os cientistas não olham para eles diretamente (é como tentar ver um fantasma), mas sim para os "rastos" que eles deixam ao se transformarem em outras partículas, especificamente elétrons (partículas leves que conhecemos bem).
• É como se você não visse o carro de corrida, mas conseguisse deduzir que ele passou porque viu o rastro de pneu e ouviu o som do motor.

2. O Que Eles Mediram?

Os cientistas fizeram duas coisas principais:

A. A "Fotografia" da Produção (Quantos aparecem?)
Eles contaram quantos desses bósons surgiram e mediram a energia deles.

• O Resultado: O número e a energia que eles encontraram batem perfeitamente com as previsões dos "supercomputadores" teóricos (chamados de QCD perturbativo).
• A Analogia: Imagine que você tem uma receita de bolo muito complexa. Você faz o bolo e o sabor fica exatamente como a receita previa. Isso confirma que a "receita" da física (a teoria) está correta e que entendemos bem como a matéria se comporta nessas energias extremas.

B. A "Festa" e o Número de Convidados (Dependência da Multiplicidade)
Esta é a parte mais divertida e nova do estudo. Os cientistas queriam saber: "O que acontece com a produção desses bósons se a colisão for 'mais bagunçada' (com mais partículas sendo criadas)?"

Eles dividiram as colisões em dois grupos:

1. Colisões "Calmas": Onde poucas partículas são criadas.
2. Colisões "Festivas": Onde muitas partículas são criadas (alta multiplicidade).

O Que Eles Descobriram?
Aqui a história fica interessante, como se fosse uma festa em uma casa:

• Os Bósons W (O Anfitrião Distante): A produção de bósons W aumentou de forma linear com o número de convidados.

  • Analogia: Imagine que o bóson W é um convidado VIP que chega de táxi. Não importa se a festa tem 10 ou 100 pessoas, a chance dele chegar é sempre a mesma, proporcional ao tamanho da festa. Ele não se mistura com a multidão. Isso mostra que ele é "invisível" para as interações fortes que acontecem na festa.

• As Partículas Associadas (A Turba da Festa): As outras partículas (hádrons) que aparecem junto com o bóson W aumentaram de forma mais rápida que linear.

  • Analogia: Imagine que, quando a festa fica cheia, as pessoas começam a se agarrar, formar grupos e pular juntas. Quanto mais gente tem na festa, mais "explosivo" fica o comportamento do grupo. Isso sugere que, em colisões muito cheias, as partículas interagem de uma maneira especial (chamada de "reconexão de cor" na física), criando um efeito em cadeia que faz a produção de matéria explodir mais rápido do que o esperado.

3. Por Que Isso é Importante?

Antigamente, pensávamos que esses efeitos de "festa bagunçada" (onde as partículas interagem fortemente) só aconteciam em colisões de núcleos pesados (como chumbo contra chumbo), onde se forma um "sopa" de partículas chamada Plasma de Quarks e Glúons.

Mas este estudo mostra que, mesmo em colisões pequenas (próton contra próton), se a festa for grande o suficiente, esses efeitos estranhos acontecem.

• A Lição: O bóson W age como um "espelho" ou uma "régua" perfeita. Como ele não interage com a "festa" (não sente a força forte), ele nos diz o que é o "normal". As outras partículas, que interagem, nos mostram onde a física está ficando estranha e complexa.

Resumo em Uma Frase

O experimento ALICE provou que, mesmo em colisões pequenas de prótons, a física se comporta como uma grande festa: os mensageiros pesados (bósons) chegam de forma previsível, mas a multidão ao redor deles se comporta de forma caótica e explosiva quando a festa fica cheia, confirmando teorias complexas sobre como o universo funciona nas menores escalas.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Produção de bósons W± e Z0 em colisões pp a √s = 13 TeV

1. Problema e Contexto Científico

O objetivo principal deste trabalho é investigar a produção de bósons eletrofracos ($W^\pm$ e $Z^0$) em colisões próton-próton ($pp$) a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, utilizando o detector ALICE no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

O contexto físico gira em torno de duas questões fundamentais:

• Validação da QCD Perturbativa (pQCD): Os bósons $W$ e $Z$ são produzidos predominantemente via o processo de Drell-Yan (aniquilação de quarks e antiquarks). Como partículas que interagem fracamente, elas não sofrem efeitos de estado final (como a supressão de jatos ou anisotropia de fluxo) típicos da interação forte em meios densos. Portanto, sua produção serve como uma "sonda de referência" ideal para testar cálculos de QCD e restringir as Funções de Distribuição de Partões (PDFs) dos prótons, especialmente a razão entre quarks down e up.
• Dependência da Multiplicidade e Efeitos de Estado Final: Em colisões de alta multiplicidade em sistemas pequenos ($pp$, $p$-A), observou-se um aumento "mais rápido que linear" na produção de hádrons de alto momento transversal ($p_T$). A origem desse fenômeno é debatida: é devido a interações múltiplas de partões (MPI) e reconexão de cor (CR), ou é um artefato de autocorrelações (onde o hádron medido contribui para a contagem de multiplicidade do evento)?
  • Como os bósons $W$ e $Z$ são "invisíveis" à reconexão de cor (são incolores), espera-se que sua produção cresça linearmente com a multiplicidade.
  • Hádrons associados a esses bósons, no entanto, podem ser afetados pela CR. Medir a correlação entre a produção de $W/Z$ e hádrons associados em função da multiplicidade permite distinguir entre efeitos físicos reais (MPI/CR) e viéses de autocorrelação.

2. Metodologia Experimental

• Dados: A análise utiliza dados de colisões $pp$a$\sqrt{s} = 13$ TeV coletados pelo ALICE entre 2016 e 2018.
• Gatilho e Amostra:
  • Gatilho de viés mínimo (MB) combinado com um gatilho no Calorímetro Eletromagnético (EMCal) para selecionar elétrons de alta energia (limiar de 9 GeV).
  • Amostra final: $60$ milhões de eventos, correspondendo a uma luminosidade integrada de $7,8 \text{ pb}^{-1}$.
• Reconstrução e Identificação:
  • Canal de Decaimento: $W^\pm \to e^\pm \nu$ e $Z^0 \to e^+ e^-$.
  • Região de Rapidez: $|y| < 0,6$ (rapidez central).
  • Intervalo de $p_T$: $30 < p_T < 60 \text{ GeV}/c$ para os elétrons.
  • Identificação de Elétrons: Combinação de informações do Sistema de Rastreamento Interno (ITS), Câmara de Projeção Temporal (TPC) e EMCal. Critérios incluem perda de energia específica ($dE/dx$), razão Energia/Momento ($E/p \approx 1$) e forma do chuveiro eletromagnético.
  • Isolamento: É exigido que os candidatos a elétrons estejam isolados (pouca energia de calorímetro em um cone de raio $R=0,3$ ao redor do elétron) para suprimir fundo de hádrons.
• Extração de Sinal:
  • $Z^0$: Reconstruído via massa invariante do par $e^+e^-$ no intervalo $60 < m_{ee} < 108 \text{ GeV}/c^2$. O fundo é estimado usando pares de cargas iguais.
  • $W^\pm$: Extraído da distribuição de $p_T$ do elétron único. O fundo de hádrons é subtraído usando uma abordagem baseada em dados (template de $E/p$), e a contribuição de $Z^0$ e decaimentos de hádrons de sabor pesado ($c, b$) é subtraída estatisticamente.
• Análise de Multiplicidade: A produção é estudada em função da densidade de pseudorapidez de partículas carregadas normalizada ($\langle dN_{ch}/d\eta \rangle$). A multiplicidade é medida usando "tracklets" no SPD (Silicon Pixel Detector).

3. Contribuições Chave

1. Primeiras Medições do ALICE: Este trabalho apresenta as primeiras medições do ALICE da produção de $W^\pm$ e $Z^0$ via canais eletrônicos em $pp$ a 13 TeV.
2. Estudo de Dependência de Multiplicidade: É a primeira medição no LHC da produção de bósons $W^\pm$ e hádrons associados em função da multiplicidade de partículas carregadas. Isso permite um teste direto de modelos de MPI e CR em um regime onde a sonda principal ($W$) é insensível à reconexão de cor.
3. Restrição de PDFs: As medições de seção de choque diferencial e integrada fornecem dados cruciais para refinar as Funções de Distribuição de Partões (PDFs), como CT14NNLO, CT18NLO e NNPDF4.0.

4. Resultados Principais

• Seções de Choque Integradas e Diferenciais:

  • A seção de choque fiducial para $Z^0 \to e^+e^-$ foi medida como:
    $$\sigma_{fid} = 203 \pm 22 (\text{est.}) \pm 22 (\text{sist.}) \pm 11 (\text{lumi.}) \text{ pb}$$
  • As seções de choque diferenciais ($d\sigma/dp_T$) para elétrons de $W^-$ e pósitrons de $W^+$ foram medidas no intervalo $30 < p_T < 60 \text{ GeV}/c$.
  • As seções de choque integradas ($d\sigma/dy$) foram obtidas como $0,68 \pm 0,09 \text{ nb}$ para $W^-$ e $0,72 \pm 0,09 \text{ nb}$ para $W^+$.
  • Comparação Teórica: Todos os resultados estão em excelente acordo com cálculos de QCD perturbativa de ordem próxima (NLO) e próxima-próxima (NNLO) utilizando os conjuntos de PDFs mencionados (CT14, CT18, NNPDF).

• Dependência da Multiplicidade (Descoberta Crítica):

  • Bósons $W^\pm$: A produção de elétrons de $W^\pm$ aumenta aproximadamente de forma linear com o aumento da multiplicidade de partículas carregadas. Isso confirma a expectativa teórica de que bósons vetoriais, sendo incolores, não são afetados pela reconexão de cor.
  • Hádrons Associados: A produção de hádrons associados (com $p_T > 10 \text{ GeV}/c$) aos bósons $W^\pm$ mostra uma tendência mais rápida que linear (super-linear) em altas multiplicidades.
  • Interpretação: A diferença de comportamento (linear para $W$ vs. super-linear para hádrons associados) sugere fortemente que o aumento super-linear observado em outros hádrons de alto $p_T$ não é apenas um efeito de MPI puro, mas é fortemente influenciado por autocorrelações (o hádron medido contribui para a definição da classe de multiplicidade do evento).
  • Simulações: Os dados são consistentes com simulações do PYTHIA 8 que incluem efeitos de MPI e Reconexão de Cor (CR). O modelo com CR reproduz melhor a tendência super-linear dos hádrons associados.

5. Significado e Impacto

• Validação de Modelos: Os resultados validam a capacidade da QCD perturbativa de descrever a produção de bósons vetoriais em altas energias e confirmam que a produção de $W$ é uma sonda robusta contra efeitos de estado final forte.
• Resolução de Debates sobre Multiplicidade: A observação de um comportamento linear para $W$ contrastando com o comportamento super-linear para hádrons associados fornece evidência experimental crucial para entender a origem do aumento de produção de partículas em eventos de alta multiplicidade. Isso apoia a hipótese de que autocorrelações desempenham um papel significativo nas medições de multiplicidade em sistemas pequenos.
• Futuro: Estas medições estabelecem uma base sólida para estudos futuros com a estatística aumentada do LHC Run 3 e Run 4, utilizando o detector ALICE atualizado para investigar com maior precisão a dinâmica de interações múltiplas de partões e a formação de matéria hadrônica.

Em suma, o artigo demonstra que, embora a produção de hádrons de alto $p_T$ em $pp$ exiba comportamentos complexos dependentes da multiplicidade (potencialmente ligados a CR e autocorrelações), a produção de bósons eletrofracos permanece um processo "limpo" e linear, servindo como um padrão de referência essencial para a física de QCD em colisões hadrônicas.