Observation of centrality-dependent dijet transverse momentum imbalance in O+O and Ne+Ne collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.36 TeV with the ATLAS detector

Resumo Técnico: Observação do Desequilíbrio de Momento Transverso de Dijets Dependente de Centralidade em Colisões de O+O e Ne+Ne

Problema e Motivação
Um objetivo primário do programa de íons pesados no Grande Colisor de Hádrons (LHC) é caracterizar o plasma de quarks-glúons (QGP), um estado desconfinado da matéria fortemente interagente. Jets de alto momento transverso ($p_T$) servem como sondas poderosas deste meio, sofrendo "extinção de jet" (jet quenching) — uma redução na energia do jet e redistribuição da energia para grandes ângulos — à medida que atravessam o QGP. Embora a evidência para a perda de energia dependente do comprimento do caminho tenha sido estabelecida em colisões de chumbo-chumbo (Pb+Pb) não centrais, a interpretação de tais efeitos em sistemas menores permanece desafiadora. Em colisões próton-núcleo, evidências inequívocas de extinção de jet têm sido elusivas e, em colisões periféricas de Pb+Pb, flutuações nas configurações iniciais de núcleons complicam a determinação dos comprimentos de caminho efetivos.

Colisões de íons leves, especificamente Oxigênio-Oxigênio (O+O) e Neônio-Neônio (Ne+Ne), oferecem um novo regime para investigar esses fenômenos. Estes sistemas possuem uma extensão transversal substancialmente menor que as colisões de Pb+Pb, resultando em comprimentos de caminho no meio (in-medium path lengths) consideravelmente menores (aproximadamente um fator de dois menores). Além disso, colisões centrais de íons leves fornecem uma geometria de sobreposição mais simétrica em comparação com interações periféricas de Pb+Pb, potencialmente reduzindo as incertezas geométricas associadas à interpretação de efeitos dependentes do comprimento do caminho. Medições recentes indicaram comportamento coletivo em colisões de O+O e Ne+Ne, sugerindo a formação de QGP, contudo, sondas duras (como jets) ainda não demonstraram de forma definitiva efeitos induzidos pelo meio nestes sistemas pequenos. Um desafio fundamental em sistemas pequenos é o "viés de centralidade" (centrality bias), onde correlações entre a produção de processos duros e o evento subjacente (underlying event) suave usado para definir a centralidade podem distorcer medições baseadas em rendimentos absolutos.

Metodologia
A Colaboração ATLAS analisou dados coletados em 2025 a uma energia de centro de massa núcleon-núcleon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV. O conjunto de dados compreende:

• $8,0 \text{ nb}^{-1}$ de colisões de O+O.
• $1,0 \text{ nb}^{-1}$ de colisões de Ne+Ne.
• $386 \text{ pb}^{-1}$ de colisões próton-próton ($pp$) na mesma energia, servindo como referência.

Seleção de Eventos e Centralidade:
Os eventos foram selecionados usando gatilhos de minimum-bias e de jets. Intervalos de centralidade (0–10%, 10–20%, 20–40%, 40–60% e 60–80%) foram definidos com base na energia transversa total ($\Sigma E_T^{FCal}$) medida nos Calorímetros Frontais (FCal) do ATLAS, mapeada para a seção de choque inelástica usando um modelo de Monte Carlo Glauber. Eventos de pileup foram rigorosamente suprimidos através da exigência de um único vértice reconstruído de alta qualidade e utilizando correlações entre a energia do Calorímetro de Grau Zero (ZDC) e $\Sigma E_T^{FCal}$.

Reconstrução de Jet e Observável:
Os jets foram reconstruídos usando o algoritmo anti-$k_t$ com um parâmetro de raio $R=0,4$ dentro de $|y| < 2,1$. A análise focou em pares de dijets onde os jets líder ($p_{T1}$) e sub-líder ($p_{T2}$) estão quase em oposição em azimute ($\Delta\phi > 7\pi/8$). O principal observável é o desequilíbrio de momento transverso de dijet, $x_J$:
$$x_J = \frac{p_{T2}}{p_{T1}}$$
onde $0,32 < x_J < 1$ e $63 < p_{T1} < 251$ GeV.

Técnicas de Análise:
Para mitigar o viés de centralidade e a dependência de taxas absolutas, a análise utilizou distribuições "auto-normalizadas", definidas como $\frac{1}{N_{pair}} \frac{dN_{pair}}{dx_J}$. Esta abordagem normaliza a distribuição para uma área unitária, tornando-a menos sensível a vieses de seleção e incertezas em funções de distribuição de partons nucleares (nPDFs).

• Subtração de Background: Um procedimento de subtração de background evento a evento estimou a densidade de energia transversa do evento subjacente ($\rho$). Pares de jets não correlacionados foram estimados usando um método de sideband em $\Delta\phi$ e subtraídos.
• Unfolding (Desdobramento): Efeitos do detector, incluindo escala de energia de jet (JES), resolução de energia de jet (JER) e ineficiências de reconstrução, foram corrigidos usando um procedimento de unfolding Bayesiano iterativo. O unfolding bidimensional foi realizado para contabilizar a migração de bins e a troca de ordenação entre os jets líder e sub-líder.
• Sistemáticas: As incertezas foram avaliadas para JES, JER, subtração de background combinatório e o prior de unfolding. A incerteza sistemática total permaneceu geralmente abaixo de 10–15% para a maioria dos bins de $x_J$.

Resultos Principais
As distribuições de $x_J$ auto-normalizadas medidas em colisões de O+O e Ne+Ne exibem uma clara dependência de centralidade quando comparadas à referência $pp$:

1. Tendência de Centralidade: À medida que as colisões se tornam mais centrais (aumento da atividade do evento), as distribuições de $x_J$ mostram desvios cada vez maiores da linha de base $pp$. Especificamente, há um aumento na contribuição relativa de dijets com valores de $x_J$ mais baixos (indicando maior desequilíbrio de energia).
2. Significância Estatística: O desvio da hipótese nula (sem modificação, ou seja, razão = 1) foi quantificado usando um teste $\chi^2$.
   • Em colisões de O+O, modificações significativas ($>5\sigma$) foram observadas nos intervalos de centralidade 0–10% e 10–20%, persistindo até o intervalo 20–40%. A significância atingiu $10,2\sigma$ no bin de centralidade 0–10% para $79 < p_{T1} \le 89$ GeV.
   • Em colisões de Ne+Ne, modificações significativas foram observadas nos intervalos de centralidade 0–10% e 10–20%, com uma significância de $8,9\sigma$ no bin 0–10% para o mesmo intervalo de $p_{T1}$.
   • As modificações não foram estatisticamente significativas em colisões mais periféricas (40–60% e 60–80%) para ambos os sistemas.
3. Dependência de Energia: A modificação permanece significativa em O+O (Ne+Ne) até um $p_{T1}$ do jet líder de aproximadamente 141 GeV (126 GeV) nas colisões mais centrais.
4. Comparação Teórica:
   • As modificações observadas são incompatíveis com as previsões baseadas apenas em nPDF (efeitos de isospin) (usando os conjuntos EPPS21 e CT18), que preveem desvios de menos de 4% da unidade.
   • Comparações com os modelos Hybrid e Jewel+Trajectum mostram que, embora ambos prevejam uma modificação em colisões centrais de O+O, o modelo Hybrid geralmente subestima a magnitude do efeito, enquanto o Jewel+Trajectum o superestima. A inclusão de espalhamentos de Molière no modelo Hybrid produziu apenas mudanças menores.
5. Comparação de Tamanho de Sistema: Quando comparadas com colisões periféricas de Pb+Pb (centralidade 60–80%) pareadas pela atividade do evento, as modificações de $x_J$ em colisões centrais de O+O e Ne+Ne são encontradas como comparáveis.

Significância e Alegações
O artigo afirma que estes resultados constituem uma observação de desequilíbrio de momento transverso de dijet dependente de centralidade em colisões de O+O e Ne+Ne. Os achados demonstram que a perda de energia partônica induzida pelo meio persiste em sistemas de colisão consideravelmente menores que Pb+Pb e Xe+Xe.

A significância deste trabalho reside em:

• Estabelecer um Novo Regime: Ele estende o estudo da extinção de jet para as menores gotas de plasma de quarks-glúons acessíveis no LHC.
• Dependência do Comprimento do Caminho: Os resultados fornecem novas restrições sobre o início e a dependência do comprimento do caminho da extinção de jet, utilizando um sistema com uma geometria mais simétrica para reduzir incertezas geométricas.
• Robustez: Ao utilizar distribuições auto-normalizadas, a medição controla explicitamente os efeitos de viés de centralidade e os vieses de seleção de atividade de evento que complicam as interpretações em sistemas pequenos.

Os autores concluem que as modificações observadas são qualitativamente semelhantes às de colisões núcleo-núcleo, mas ocorrem em um regime onde os efeitos de configuração inicial são melhor controlados, fortalecendo assim o caso para a formação de um meio do tipo QGP em colisões de íons leves.