Multiplicity dependence of prompt and non-prompt J/$\psi$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Este estudo mede a produção de J/$\psi$ prompt e não-prompt em colisões pp a 13 TeV, revelando um aumento mais forte que o linear nas rendas normalizadas em função da multiplicidade de partículas carregadas, com variações distintas dependendo da região azimutal em relação ao momento do J/$\psi$.

O essencial

Imagine que o universo é uma grande cozinha e os cientistas do CERN (o laboratório onde este estudo foi feito) são chefs tentando entender como os ingredientes se misturam quando você bate dois potes de tempero com força extrema.

Este artigo é sobre um experimento específico feito no ALICE, um dos "olhos" gigantes do Grande Colisor de Hádrons (LHC). Eles bateram dois feixes de prótons (partículas minúsculas) um contra o outro a uma velocidade incrível (quase a da luz) e observaram o que aconteceu.

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

1. O Objetivo: Contando as "Bolhas" e as "Pedras"

Quando os prótons colidem, eles criam uma chuva de novas partículas.

• As "Bolhas" (Multiplicidade): A maioria das partículas criadas são leves e rápidas, como bolhas de sabão. Os cientistas contam quantas bolhas surgem. Isso é chamado de "multiplicidade".
• As "Pedras" (J/ψ): Entre essas bolhas, às vezes surgem partículas mais pesadas e raras, chamadas J/ψ (leia-se "J-psi"). Pense nelas como pedras preciosas que caem no meio da chuva de bolhas.

O J/ψ é especial porque pode vir de dois lugares:

1. Prompt (Imediato): A pedra é formada na hora da explosão, direto da colisão.
2. Non-prompt (Não imediato): A pedra é formada um pouco depois, quando uma partícula ainda mais pesada (chamada de "belleza" ou beauty) decai. É como se uma pedra maior se quebrasse e soltasse a pedra J/ψ.

2. A Grande Pergunta: Mais Bolhas significam mais Pedras?

Os cientistas queriam saber: Se eu tiver uma colisão que produz MUITAS bolhas (alta multiplicidade), isso significa que vou ter mais pedras (J/ψ) do que em uma colisão com poucas bolhas?

Eles mediram isso de duas formas:

• Contando tudo: Olhando para a colisão inteira.
• Olhando em direções específicas: Eles dividiram o espaço ao redor da pedra J/ψ em três zonas:
  • Zona "Toward" (Para frente): Na direção em que a pedra J/ψ voou.
  • Zona "Transverse" (Lateral): Nos lados, perpendicular ao voo da pedra.
  • Zona "Away" (Para trás): Na direção oposta ao voo da pedra.

3. O Resultado Surpreendente: A Relação Não é Linear

Se a física fosse simples e previsível, você esperaria que, se a quantidade de bolhas dobrasse, a quantidade de pedras também dobrasse (uma linha reta).

Mas o que eles encontraram foi diferente:

• O Efeito "Super-Linear": Quando a quantidade de bolhas aumenta, a quantidade de pedras J/ψ aumenta muito mais rápido do que o esperado. É como se, ao bater os potes com mais força, você não apenas criasse mais bolhas, mas também criasse desproporcionalmente mais pedras preciosas.
• A Direção Importa: Esse efeito é muito mais forte na zona "Para frente" (Toward). Isso faz sentido, pois as pedras e as bolhas ali estão "conectadas" ao mesmo evento de criação. Nas zonas laterais e de trás, o efeito existe, mas é mais fraco.

4. O Que Isso Significa? (A Analogia do Show de Fogo de Artifício)

Imagine um show de fogo de artifício.

• Teoria antiga: Se você acender mais fogos (mais multiplicidade), você vê mais faíscas (partículas comuns) e talvez um pouco mais de fogos grandes (J/ψ), tudo de forma proporcional.
• O que o ALICE viu: Quando o show fica muito intenso (muitas faíscas), parece que o "céu" da colisão fica tão cheio de energia que facilita a criação de fogos grandes.

Os cientistas testaram vários "receitas" de computador (simulações) para ver qual explicava isso:

• PYTHIA (um simulador famoso): A versão padrão não conseguiu prever esse aumento gigante. Mas, quando eles ativaram uma função especial chamada "oniaShower" (que simula como as partículas "choram" ou emitem mais partículas ao se formar), o computador finalmente acertou a previsão! Isso sugere que o processo de formação da pedra J/ψ está intimamente ligado à criação das outras partículas ao redor.
• EPOS e CGC: Outros modelos tentaram explicar, mas tiveram dificuldades em prever tudo corretamente.

5. Conclusão Simples

Este estudo nos diz que, no mundo subatômico, nada acontece isoladamente.

Quando você tem uma colisão muito "agitada" (muitas partículas), o ambiente muda de tal forma que a criação de partículas pesadas (como o J/ψ) é favorecida de uma maneira que não é apenas uma soma simples. É como se a "pressão" da colisão ajudasse a forjar essas partículas pesadas com mais eficiência.

Além disso, o fato de que as partículas "prompt" (criadas na hora) e "non-prompt" (criadas depois) se comportam de forma muito similar sugere que, mesmo em colisões pequenas (entre dois prótons), o ambiente é tão complexo que pode haver efeitos coletivos, semelhantes aos que vemos em colisões de núcleos de chumbo muito maiores.

Em resumo: Quanto mais "barulho" (partículas leves) a colisão faz, mais "tesouros" (partículas pesadas) ela esconde, e essa relação é mais forte na direção em que o tesouro é lançado. Isso nos ajuda a entender melhor como a matéria é construída nas condições mais extremas do universo.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Dependência da Multiplicidade na Produção de J/ψ Prompt e Não-Prompt em Colisões pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV

1. Problema e Contexto
O objetivo principal deste estudo é investigar a produção de mésons $J/\psi$ (estados ligados de quark-antiquark de charm) em colisões próton-próton (pp) a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, em função da multiplicidade de partículas carregadas. O estudo foca em distinguir entre:

• $J/\psi$ Prompt: Produzidos diretamente na colisão ou a partir do decaimento de estados de charmonia superiores.
• $J/\psi$ Não-Prompt: Originados do decaimento fraco de hádrons contendo quarks beleza (b).

O problema central reside em compreender como a produção de partículas pesadas (hard probes) se correlaciona com a atividade do evento (soft probes) em sistemas pequenos (pp). Resultados anteriores mostraram um aumento "mais forte que linear" na produção de quarkônios com o aumento da multiplicidade, um fenômeno que desafia modelos perturbativos simples e sugere efeitos de múltiplas interações partônicas (MPI), saturação de glúons (CGC) ou até mesmo coletividade similar à do plasma de quarks e glúons (QGP). Além disso, a comparação entre componentes prompt e não-prompt permite investigar a influência da massa do parton e dos mecanismos de hadronização.

2. Metodologia

• Dados: Utilização de dados coletados pelo detector ALICE no LHC durante o Run 2. As amostras incluem eventos de Minimum Bias (MB), eventos de alta multiplicidade (HM, selecionando o 0,1% mais denso) e eventos disparados pelo Detector de Radiação de Transição (TRD).
• Reconstrução: Os $J/\psi$ são reconstruídos no canal de decaimento em díeletrons ($e^+e^-$) na região de rapidez central ($|y| < 0.9$).
• Estimador de Multiplicidade: A multiplicidade de partículas carregadas ($N_{ch}$) é medida em $|\eta| < 0.9$. Para evitar viés de autocorrelação, a análise é dividida em três regiões azimutais em relação à direção do momento do $J/\psi$:
  • Toward (Toward): $\Delta\phi < \pi/3$ (na direção da emissão).
  • Transverse: $\pi/3 < \Delta\phi < 2\pi/3$ (perpendicular).
  • Away: $\Delta\phi > 2\pi/3$ (oposto).
• Separação Prompt/Não-Prompt: Utiliza-se um algoritmo de Boosted Decision Tree (BDT) treinado com variáveis como o comprimento de decaimento pseudo-próprio e a distância de aproximação mais próxima (DCA) para separar estatisticamente os componentes prompt e não-prompt (originados de hádrons B).
• Normalização: As yields (rendimentos) e a multiplicidade são normalizadas pelos seus valores médios em eventos inelásticos com pelo menos uma partícula carregada (classe INEL>0).
• Correções: Aplicam-se correções rigorosas para eficiência de reconstrução, viés de trigger, migração de bins e eficiência de detecção dependente da multiplicidade.

3. Contribuições Principais

• Separação por Origem: Primeira medição detalhada da dependência da multiplicidade separando explicitamente os componentes prompt e não-prompt de $J/\psi$ em pp a 13 TeV.
• Análise Azimutal: Investigação da dependência da multiplicidade em regiões azimutais específicas (Toward, Transverse, Away) para isolar efeitos de autocorrelação (partículas associadas ao mesmo processo de produção) de efeitos do evento subjacente.
• Razão J/ψ/D0: Cálculo da razão entre as yields de $J/\psi$ prompt e $D^0$ prompt em função da multiplicidade, comparando sistemas pp, p-Pb e Pb-Pb para testar modelos de hadronização estatística.
• Teste de Modelos: Comparação extensiva com geradores de eventos (PYTHIA 8 com diferentes tunes como Monash, CR-BLC e oniaShower) e modelos teóricos (CGC, EPOS4 com evolução hidrodinâmica).

4. Resultados Chave

• Aumento Super-Linear: Tanto para $J/\psi$ prompt quanto não-prompt, observa-se um aumento das yields auto-normalizadas com a multiplicidade que é mais forte que linear. Este comportamento é consistente com medições anteriores de $J/\psi$ inclusivo.
• Dependência Azimutal:
  • A região Toward exibe o aumento mais forte, indicando uma forte autocorrelação com partículas produzidas no mesmo processo (ex: dentro de um cone de jato ou decaimento comum).
  • As regiões Transverse e Away mostram um aumento mais fraco, mas ainda superior ao linear, sugerindo que efeitos do evento subjacente (MPI) também contribuem significativamente.
• Fração Não-Prompt ($f_B$): A fração de $J/\psi$ provenientes de decaimentos de beleza mostra uma tendência leve de aumento com a multiplicidade, embora com incertezas significativas.
• Comparação com Modelos:
  • PYTHIA 8 (Monash): Subestima a produção de $J/\psi$ prompt em altas multiplicidades.
  • PYTHIA 8 (oniaShower): Reproduz bem os dados de $J/\psi$ prompt, sugerindo que a produção dentro de parton showers (com emissão adicional de partículas) é crucial para descrever a dependência da multiplicidade.
  • EPOS4: Com evolução hidrodinâmica, descreve bem os dados prompt, mas subestima sistematicamente os dados não-prompt em altas multiplicidades.
  • Modelos CGC: Descrevem parcialmente os dados, dependendo do intervalo de $p_T$.
• Razão J/ψ/D0: A razão entre $J/\psi$ e $D^0$ prompt não mostra modificações significativas dentro das grandes incertezas entre colisões pp (baixa e alta multiplicidade) e colisões Pb-Pb semicentrales. Isso contrasta com colisões Pb-Pb centrais, onde a razão aumenta, possivelmente devido à regeneração de $J/\psi$ no meio denso.

5. Significado e Conclusões
O trabalho conclui que o aumento super-linear da produção de $J/\psi$ com a multiplicidade em colisões pp é um fenômeno robusto, observado tanto para componentes prompt quanto não-prompt.

• Autocorrelação vs. Evento Subjacente: A forte dependência na região Toward confirma que autocorrelações com partículas do mesmo processo de produção desempenham um papel fundamental, especialmente em altos $p_T$. No entanto, o aumento observado nas regiões Transverse e Away indica que há também um efeito real ligado às propriedades do evento subjacente (como múltiplas interações partônicas ou saturação de glúons).
• Mecanismos de Produção: A necessidade do modelo oniaShower no PYTHIA para reproduzir os dados sugere que a produção de quarkônios está intrinsecamente ligada à atividade do parton shower e à emissão de partículas associadas, desafiando visões puramente perturbativas de produção inicial.
• Sistemas Pequenos: A ausência de uma mudança clara na razão $J/\psi/D^0$ em pp de alta multiplicidade sugere que, diferentemente do que ocorre em colisões de íons pesados centrais, efeitos de regeneração de $J/\psi$ a partir de pares $c\bar{c}$ descorrelacionados em um meio denso não são dominantes ou detectáveis neste regime de multiplicidade em pp.

Em suma, o estudo fornece restrições cruciais para modelos teóricos de QCD em altas energias, destacando a importância de considerar tanto efeitos de estado inicial (MPI, saturação) quanto de estado final (hadronização, autocorrelações) para explicar a produção de partículas pesadas em sistemas pequenos.