Evidence for sequential $\Upsilon$(nS) suppression in light ion collisions

Resumo Técnico: Evidência de Supressão Sequencial de $\Upsilon(nS)$ em Colisões de Íons Leves

Definição do Problema
Os quarkônios, estados ligados de pares quark-antiquark pesados, servem como sondas sensíveis para a temperatura e a evolução espaço-temporal do plasma de quarks e glúons (QGP). Em colisões de íons pesados (ex: PbPb, AuAu), um padrão característico de "supressão sequencial" foi observado: estados excitados fracamente ligados (como $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$) são mais fortemente suprimidos do que o estado fundamental fortemente ligado ($\Upsilon(1S)$) devido ao rastreamento de cor e dissociação no QGP. No entanto, distinguir esses efeitos de estado final do QGP dos efeitos de matéria nuclear fria (CNM) e interações de estado inicial permanece um desafio, particularmente em sistemas de colisão menores, como o protono-chumbo (pPb). Embora a supressão sequencial tenha sido estabelecida em grandes sistemas, não está claro se os mesmos mecanismos operam em sistemas menores e simétricos de íons leves, onde o tempo de vida e a área transversal do meio são significamente reduzidos. Este artigo aborda a necessidade de estudar sistemas de tamanhos variados com diferentes condições iniciais para determinar se a supressão sequencial persiste em colisões de íons leves, testando assim a universalidade da formação e das propriedades do QGP através de diferentes tamanhos de sistema.

Metodologia
O estudo utiliza dados coletados pelo detector CMS no LHC durante 2025, focando em colisões de oxigênio-oxigênio (OO) e néon-néon (NeNe) a uma energia de centro de massa nucleon-nucleon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV. Estas medições são comparadas contra um conjunto de dados de referência de protono-protono (pp) coletado na mesma energia em 2024.

• Amostras de Dados: A análise utiliza luminosidades integradas de $8,4 \pm 0,3$ nb$^{-1}$ para OO, $0,81 \pm 0,03$ nb$^{-1}$ para NeNe, e $456 \pm 14$ pb$^{-1}$ para a referência pp.
• Seleção de Eventos: Os estados $\Upsilon$ são reconstruídos via sua decaimento prompt em dois múons de cargas opostas. Os eventos são selecionados exigindo pelo menos um (para AA) ou dois (para pp) múons dentro de um único cruzamento de feixe (bunch crossing), um vértice primário reconstruído e critérios de trajetória de "alta pureza" para suprimir fundos de gás de feixe. Os múons são exigidos com $p_T > 4$ GeV e $|\eta| < 2,4$.
• Extração de Rendimento: Os espectros de massa invariante dos pares de múons são ajustados no intervalo de 8–14 GeV usando ajustes de máxima verossimilhança não binários estendidos. O modelo de sinal compreende três picos (para $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$), cada um descrito por uma soma de duas funções Crystal Ball para contabilizar a resolução dependente de $\eta$. As posições dos picos e as resoluções de massa para estados excitados são restringidas em relação ao $\Upsilon(1S)$ usando razões de massa médias mundiais. Um componente de fundo é modelado como uma função erro multiplicada por uma exponencial.
• Quantificação: A supressão é quantificada usando razões duplas ($D_{nm}$) de rendimentos de estados excitados para o estado de referência em colisões AA em relação às colisões pp:
  $$D_{nm} = \frac{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{AA}}{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{pp}}$$
  onde $(n, m)$ correspondem a $(2, 1)$, $(3, 1)$ e $(3, 2)$. Esta construção cancela incertezas experimentais comuns e efeitos nucleares de estado inicial que modificam todos os estados $\Upsilon(nS)$ de forma semelhante.
• Incertezas Sistemáticas: As incertezas são avaliadas variando os procedimentos de análise, incluindo parametrizações alternativas de sinal e fundo, variações de ponderação de $p_T$ de MC e correções de tag-and-probe.
• Comparação Teórica: Os resultados são comparados com as previsões do framework SHINCHON, que combina hidrodinâmica evento a evento com cálculos de dissociação de bottomonium baseados em gluo-dissociação e espalhamento inelástico de partões.

Principais Contribuições e Resultados
Este trabalho apresenta as primeiras medições dos estados $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ em colisões OO, e dos estados $\Upsilon(1S)$ e $\Upsilon(2S)$ em colisões NeNe.

• Evidência de Supressão Sequencial:
  • Em colisões OO, as razões duplas são medidas como $D_{21} = 0,664 \pm 0,055 \text{ (estat)} \pm 0,007 \text{ (sist)}$, $D_{31} = 0,392 \pm 0,077 \text{ (estat)} \pm 0,023 \text{ (sist)}$, e $D_{32} = 0,59 \pm 0,12 \text{ (estat)} \pm 0,04 \text{ (sist)}$.
  • Em colisões NeNe, $D_{21} = 0,27 \pm 0,12 \text{ (estat)} \pm 0,01 \text{ (sist)}$.
  • Todas as razões duplas estão significativamente abaixo da unidade. A supressão de $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ em relação ao $\Upsilon(1S)$ excede cinco desvios padrão em colisões OO.
  • Crucialmente, a supressão relativa de $\Upsilon(3S)$ para $\Upsilon(2S)$ ($D_{32}$) em colisões OO está abaixo da unidade por 3,2 desvios padrão. Isto constitui a primeira evidência de supressão sequencial de $\Upsilon(nS)$ em colisões de íons leves.
• Dependência do Tamanho do Sistema: Os resultados estendem a hierarquia observada de supressão de estado excitado para sistemas com um número médio de núcleons participantes ($\langle N_{part} \rangle$) de aproximadamente 10. O padrão de supressão em colisões OO e NeNe mostra uma evolução clara com o tamanho do sistema, consistente com as tendências observadas em colisões pPb e PbPb.
• Dependência Cinemática: Medições como função da multiplicidade de partículas carregadas ($N_{corr}^{trk}$) e momento transversal ($p_T$) não mostram dependência significativa de $p_T$ dentro das incertezas. A tendência de aumento da supressão com a atividade do evento estende-se de pp para PbPb, embora o artigo note que a atividade do evento sozinha não determina totalmente a magnitude da supressão.
• Comparação Teórica: As previsões do framework SHINCHON subestimam significativamente a supressão medida, particularmente nas medições diferenciais de $p_T$. Isso sugere que os modelos atuais podem requerer dinâmica de meio adicional ou efeitos de dissociação mais fortes para descrever os dados.

Significância
O artigo afirma que estes resultados fornecem evidência de que a supressão sequencial de mésons $\Upsilon$, uma marca registrada da formação de QGP, não é exclusiva de grandes sistemas de íons pesados, mas também emerge em colisões de íons leves (OO e NeNe). A observação de que a supressão dependente de estado persiste em sistemas com menores tempos de vida e áreas transversais do que o PbPb implica que efeitos de estado final, como o desconfinamento, podem se manifestar nestes sistemas menores. A compatibilidade da magnitude e da dependência de $p_T$ da razão $\Upsilon(3S)/\Upsilon(2S)$ entre OO e PbPb apoia uma interpretação comum de supressão sequencial através de diferentes sistemas de colisão. Estas descobertas reforçam a visão de que a supressão de quarkônio não requer estritamente grandes volumes de matéria e fornecem novas restrições para modelos teóricos que visam descrever a produção de bottomonium de pp para colisões de íons pesados. O artigo conclui modestamente que, embora os dados apoiem uma interpretação comum, a tensão com os modelos teóricos indica a necessidade de maior refinamento na compreensão dos mecanismos de produção subjacentes e da dinâmica do meio.