Evidence for parton energy loss in oxygen$-$oxygen collisions at $\mathbf{\sqrt{s_{\rm NN}}=5.36}$ TeV

Resumo Técnico: Evidência de Perda de Energia de Partons em Colisões Oxigênio–Oxigênio a $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV

Problema e Motivação
A formação do plasma de quarks e glúons (QGP), um estado desconfinado de quarks e glúons, está bem estabelecida em grandes sistemas nucleares, como colisões Pb–Pb e Au–Au, onde o "suprimimento de jato" (jet quenching ou perda de energia de partons) serve como uma sonda primária das propriedades do meio. No entanto, o início da formação do QGP em sistemas menores permanece sob investigação. Embora colisões próton–próton (pp) e próton–chumbo (p–Pb) de alta multiplicidade tenham exibido assinaturas de coletividade, evidências diretas inequívocas de perda de energia de partons em sistemas pequenos têm sido elusivas. Existe uma lacuna crítica na compreensão da transição entre sistemas pequenos e grandes. Colisões oxigênio–oxigênio (OO), com um número de massa nuclear intermediário ($A=16$), oferecem uma oportunidade única de preencher a lacuna entre sistemas pequenos (pp, p–Pb) e grandes sistemas (Xe–Xe, Pb–Pb). Um desafio significativo na interpretação da supressão em sistemas intermediários é distinguir os efeitos de meio "quente" (perda de energia induzida pelo QGP) dos efeitos de matéria nuclear "fria" (CNM), como modificações nas funções de distribuição de partons nucleares (nPDF) (ex: sombreamento de glúons) ou perda de energia totalmente coerente. Medições anteriores em colisões OO pelo CMS indicaram supressão, mas careciam de uma restrição robusta baseada em dados sobre as contribuições de CNM específicas para o projétil de oxigênio.

Metodologia
Este estudo utiliza dados registrados pelo detector ALICE em julho de 2025 de colisões OO a $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV e colisões próton–oxigênio (pO) a $\sqrt{s_{NN}} = 9,62$ TeV. A análise foca na produção de píons neutros ($\pi^0$) na faixa de momento transversal $1,2 < p_T < 20$ GeV/c.

• Detector e Reconstrução: O sistema Fast Interaction Trigger (FIT) forneceu gatilhos de multiplicidade mínima (minimum-bias) e tempo de colisão, enquanto o Calorímetro Eletromagnético (EMCal) foi utilizado para a reconstrução de fótons. Os fótons foram identificados por agrupamentos de depósito de energia e aplicação de critérios de seleção baseados na forma do agrupamento (roundness) e tempo para rejeitar fundos hadrônicos e pileup. Os mésons $\pi^0$ foram reconstruídos via massa invariante de pares de fótons ($M_{\gamma\gamma}$), com o fundo combinatório subtraído usando métodos de eventos mistos e rotação.
• Linhas de Base de Referência: Para calcular os fatores de modificação nuclear, eram necessárias seções de choque de referência de colisões pp.
  • Para colisões OO ($\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV), dados pp na mesma energia ($\sqrt{s} = 5,36$ TeV) serviram como linha de base.
  • Para colisões pO ($\sqrt{s_{NN}} = 9,62$ TeV), a linha de base foi construída interpolando entre medições pp em $\sqrt{s} = 5,36$ TeV e $\sqrt{s} = 13,6$ TeV usando uma parametrização de lei de potência da dependência de energia.
• Observáveis:
  • $R_{OO}$: O fator de modificação nuclear para colisões OO, definido como a razão entre o rendimento de $\pi^0$ em OO e o de pp, escalonado pelo número de colisões binárias ($A^2$).
  • $R_{pO}$: O fator de modificação nuclear para colisões pO, definido de forma semelhante, mas escalonado por $A$. Isso fornece uma restrição baseada em dados, pela primeira vez, sobre os efeitos de CNM para um projétil de oxigênio.
  • Razão Dupla ($R_{OO}/R_{pO}^2$): Construída para cancelar amplamente as contribuições de CNM presentes tanto em $R_{OO}$ quanto em $R_{pO}$, isolando os efeitos de meio quente finais.

Principais Contribuições e Resultados

1. Medição de $R_{OO}$: O fator $R_{OO}$ exibe uma clara supressão em relação à unidade, com uma significância de $9,2\sigma$. O padrão de supressão em função de $p_T$ é semelhante ao observado em colisões Pb–Pb. Quando comparado a cálculos de pQCD de Próxima Ordem (NLO) incorporando vários conjuntos de nPDF (TUJU21, nNNPDF3.0, nCTEQ15HQ, EPPS21), os dados mostram desvios. Embora alguns conjuntos de nPDF prevejam desvios de até 20% (EPPS21), a supressão observada nos dados excede as expectativas teóricas de CNM com uma significância de $1,8\sigma$ contra a previsão mais suprimida.
2. Medição de $R_{pO}$: Pela primeira vez, o $R_{pO}$ é medido para projéteis de oxigênio. Os resultados são compatíveis com a unidade em toda a faixa de $p_T$ dentro das incertezas. Isso indica que os efeitos de CNM sozinhos não levam a uma supressão significativa em colisões pO. Os dados são consistentes tanto com cálculos padrão de nPDF quanto com modelos baseados apenas em perda de energia totalmente coerente (FCEL).
3. Análise da Razão Dupla: A razão dupla $R_{OO}/R_{pO}^2$ é apresentada para isolar os efeitos de meio quente. As previsões teóricas incluindo apenas efeitos de CNM (nPDFs) agrupam-se em torno da unidade. A razão dupla medida desvia-se significativamente dessas expectativas, mostrando uma supressão consistente com a perda de energia de partons. A significância deste desvio é de $4,9\sigma$ (para a linha de base nNNPDF3.0).
4. Comparação Teórica: A supressão observada na razão dupla é comparada a dois modelos teóricos que incorporam perda de energia de partons: a abordagem de "acoplamento híbrido" (hybrid coupling approach) e o "modelo Cape Town". Ambos os modelos, que incluem mecanismos de perda de energia em um meio quente, descrevem com sucesso a magnitude e a forma da supressão observada nos dados.

Significância
O artigo estabelece evidências de perda de energia de partons em colisões oxigênio–oxigênio. Ao combinar a medição de $R_{OO}$ com a novel medição de $R_{pO}$ e o observável da razão dupla, o estudo consegue restringir os efeitos de matéria nuclear fria e isolar as interações finais. Os resultados demonstram que a supressão observada não pode ser explicada apenas pelos efeitos de CNM. Este achado estende a evidência experimental para o suprimimento de jato para o menor sistema nuclear estudado até o momento, fornecendo um dado crucial para a compreensão do início da formação do QGP em números de massa baixos. Os achados são consistentes com modelos teóricos que assumem a presença de um meio quente e desconfinado em colisões OO.