Correlations between $\ensuremath{\mit{\Upsilon}(n\text{S})}\xspace$ production and the underlying event in $\ensuremath{p\!p}\xspace$ collisions with the ATLAS detector

Resumo Técnico: Correlações entre a Produção de $\Upsilon(nS)$ e o Evento Subjacente em Colisões $pp$

Enunciado do Problema
Observações recentes no LHC e no RHIC sugerem que sistemas de colisão pequenos, como colisões próton-próton ($pp$), podem exibir assinaturas semelhantes às do plasma de quarks e glúons (QGP), tipicamente associado a sistemas grandes. Embora assinaturas do tipo QGP tenham sido observadas no setor suave (soft), restrições sobre a perda de energia partônica no setor duro (hard) permanecem. Uma questão crítica em aberto envolve a interação entre processos de espalhamento duro e a dinâmica de QCD suave, especificamente as correlações entre a produção de partículas duras e suaves. Medições anteriores pela Colaboração CMS indicaram uma diminuição na produção relativa de estados excitados de $\Upsilon(nS)$ com o aumento da multiplicidade de partículas carregadas. Este artigo aborda a perspectiva inversa: utilizar o estado $\Upsilon(nS)$ como uma sonda dura para caracterizar a atividade de partículas carregadas acompanhante (o evento subjacente, ou UE) e determinar se a formação de diferentes estados de bótomo possui correlação com ambientes hadrônicos suaves distintos.

Metodologia
A análise utiliza o conjunto completo de dados do Run 2 de $pp$ coletados pelo detector ATLAS em $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 139 fb$^{-1}$. Eventos com uma média de 50 ou mais interações simultâneas foram excluídos, resultando em um pile-up médio de aproximadamente 33,7.

• Seleção de Eventos: Candidatos a $\Upsilon(nS)$ foram reconstruídos via canal de decaimento dimuon ($\Upsilon \to \mu^+\mu^-$). Exigiu-se que os múons tivessem $p_T > 4$ GeV e $|\eta| < 2,4$. Pares de múons de cargas opostas foram selecionados dentro de um intervalo de massa invariante de $8,2 < m_{\mu\mu} < 11,8$ GeV e $|y_{\mu\mu}| < 1,6$.
• Seleção de Partículas Carregadas: Partículas primárias carregadas foram selecionadas com $0,5 < p_T < 10$ GeV e $|\eta| < 2,5$. As trajetórias (tracks) deveriam estar dentro de 0,5 mm (transversalmente) e 0,75 mm (longitudinalmente) do vértice primário. As trajetórias dos múons que formam o candidato a $\Upsilon$ foram excluídas das observáveis de partículas carregadas.
• Extração de Sinal: Devido à sobreposição dos três picos de $\Upsilon(nS)$ e ao fundo dimuon suave, a análise mediu as distribuições de partículas carregadas em cinco intervalos de massa (três regiões de sinal e dois sidebands). Um ajuste foi realizado em cada intervalo de $p_T^{\mu\mu}$ utilizando três componentes de sinal (modelados por funções Crystal Ball e Gaussiana) e um fundo de polinômio de terceiro grau.
• Correções: Aceitação do detector, eficiência de reconstrução e de trigger foram corrigidas usando simulação (Pythia 8 com ajuste A14 e PDFs CTEQ6L1) e fatores de escala baseados em dados. As contribuições de pile-up foram estimadas e subtraídas usando um procedimento desenvolvido para medições de UE com marcação de $Z$ do ATLAS.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo mediu a multiplicidade, o momento transversal ($p_T$) e a separação azimutal ($\Delta\phi$) de partículas carregadas associadas aos mésons $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ como uma função do momento transversal do $\Upsilon$ ($p_T^{\mu\mu}$).

1. Hierarquia de Multiplicidade: Uma hierarquia distinta na atividade de partículas carregadas foi observada. No intervalo de $p_T^{\mu\mu}$ mais baixo medido, eventos contendo mésons $\Upsilon(1S)$ exibiram uma multiplicidade média de partículas carregadas de $29,5 \pm 0,7$. Em contraste, eventos de $\Upsilon(2S)$ e $\Upsilon(3S)$ mostraram multiplicidades sistematicamente menores, reduzidas em $3,6 \pm 0,4$ e $4,9 \pm 1,1$ partículas, respectivamente. Isso corresponde a reduções relativas de $12 \pm 1\%$ e $17 \pm 4\%$ em comparação com a amostra de $\Upsilon(1S)$.
2. Dependência de $p_T$: A diferença na multiplicidade entre o estado fundamental ($\Upsilon(1S)$) e os estados excitados ($\Upsilon(2S)$, $\Upsilon(3S)$) diminui conforme $p_T^{\mu\mu}$ aumenta, mas permanece positiva em todo o intervalo medido.
3. Distribuições Cinemáticas: As distribuições de momento transversal e azimutal subtraídas indicam que as diferenças observadas não são impulsionadas unicamente pela atividade de jato que equilibra o momento do $\Upsilon$. As distribuições de $\Delta\phi$ subtraídas permanecem positivas em torno de $\Delta\phi = \pm\pi/2$, sugerindo um componente suave substancial nas diferenças entre os estados.
4. Comparação com Modelos: As previsões do Pythia 8, tanto com quanto sem contribuições de feed-down de estados de bótomo superiores (ex: decaimentos de $\chi_b$), falharam em reproduzir a hierarquia observada. O modelo previu multiplicidades muito similares para todos os três estados. A variação do esquema de reconexão de cores também falhou em resolver a discrepância.

Significância
O artigo afirma que a hierarquia de multiplicidade observada fornece uma forte restrição à modelagem da produção de bótomo e sua correlação com a atividade de eventos suaves circundantes. Os dados indicam que eventos que produzem estados excitados de bótomo são acompanhados por uma atividade de partículas carregadas sistematicamente menor do que aqueles que produzem estados fundamentais, sendo o efeito mais pronunciado em baixo $p_T^{\mu\mu}$.

O autor conclui que a dependência de estado da atividade de partículas carregadas, particularmente em baixo momento transversal, motiva estudos adicionais sobre a relação entre a produção de bótomo e o ambiente hadrônico em colisões $pp$ de alta multiplicidade. Os resultados desafiam os modelos de Monte Carlo existentes (especificamente o Pythia 8) a descrever melhor a interação entre a formação de quarkônio e a dinâmica de QCD suave.