Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

LHCb 实验利用 8.16 TeV 的 pPb 碰撞数据，测量了 $\psi(2S)$ 与 $J/\psi$ 产额比随多重数的变化，发现仅在 pPb 碰撞的前向快度区（质子方向）的瞬发产额中存在多重数依赖性，暗示铅核方向可能存在超出共动子效应的额外抑制机制，可能涉及夸克 - 胶子等离子体的形成。

要点

这篇论文来自欧洲核子研究中心（CERN）的 LHCb 实验团队，它讲述了一个关于**微观粒子“家庭聚会”**的有趣故事。

简单来说，科学家们想搞清楚：当两个原子核（一个是质子，一个是铅原子核）以接近光速相撞时，产生的“粒子汤”里，不同种类的“重子”（特别是两种叫 J/ψ 和 ψ(2S) 的粒子）是如何相互消长的。

为了让你更容易理解，我们可以用几个生活中的比喻来拆解这篇论文的核心内容：

1. 实验背景：一场微观的“撞车”

想象一下，LHCb 实验就像是一个巨大的超级高速撞车现场。

• 质子 (p) 和 铅核 (Pb) 是两辆高速行驶的赛车。
• 当它们迎头相撞（或者一前一后追尾，取决于方向）时，会产生巨大的能量，瞬间炸出一堆新的粒子。
• 在这个爆炸中，会产生两种特别重要的“重子”：
  • J/ψ：就像是一个身体强壮、结构紧密的“硬汉”（基态粒子）。
  • ψ(2S)：就像是一个身体虚胖、结构松散的“软蛋”（激发态粒子）。

2. 核心问题：谁更容易被“挤”掉？

在普通的碰撞（比如质子撞质子）中，这两个“硬汉”和“软蛋”产生的比例是相对稳定的。
但在质子撞铅核（pPb）这种更复杂的碰撞中，铅核就像一个拥挤的舞池。

• 当碰撞产生的粒子非常多（高“多重数”，即舞池里人很多）时，那个结构松散的“软蛋”（ψ(2S)）是不是更容易被周围拥挤的人群（其他粒子）挤散、撞碎，从而消失？
• 而那个结构紧密的“硬汉”（J/ψ）是不是能扛得住，活下来？

科学家测量的就是：随着舞池里人（粒子）越来越多，那个“软蛋”相对于“硬汉”的比例是不是在下降？

3. 关键发现：方向决定命运

这篇论文最精彩的地方在于，他们发现碰撞的方向至关重要。LHCb 探测器可以区分两个方向：

• 质子方向 (p-going)：质子冲过来的方向。
• 铅核方向 (Pb-going)：铅核冲过来的方向（这里密度更大，更像是一个拥挤的舞池）。

情况 A：质子撞铅核 (pPb) —— 质子方向

• 现象：当质子冲在前面时，随着碰撞产生的粒子越多（舞池越挤），那个“软蛋”（ψ(2S)）确实变少了，比例下降了。
• 比喻：这就像在拥挤的地铁里，一个背着大包（结构松散）的人很容易被挤掉，而一个空手（结构紧密）的人还能站稳。这符合我们之前的预期，主要是周围拥挤的人群（共动粒子，Comovers）在捣乱。

情况 B：铅核撞质子 (Pbp) —— 铅核方向

• 现象：当铅核冲在前面时（这里密度极高），无论舞池里有多少人，“软蛋”和“硬汉”的比例竟然保持不变！ 没有明显的下降趋势。
• 比喻：这很奇怪！按理说这里人更多，应该挤得更厉害才对。但结果却显示，这里发生了一些完全不同的事情。

4. 科学家的推测：是不是出现了“夸克 - 胶子等离子体” (QGP)？

为什么在铅核方向（Pbp）会出现这种反常？

• 科学家推测，在铅核方向，密度高到一定程度，可能不仅仅是“拥挤”，而是形成了一种特殊的“液态”环境，物理学家称之为夸克 - 胶子等离子体 (QGP)。
• 比喻：
  • 普通的拥挤（共动粒子效应）就像是在早高峰的地铁站，人挤人，把背包客挤掉了。
  • 而 QGP 就像是一锅滚烫的岩浆。在岩浆里，所有的东西都被“融化”了，原本的规则（比如背包客容易被挤掉）可能不再适用，或者产生了一种新的、更复杂的相互作用，导致“软蛋”并没有像预期那样被额外抑制。
• 这篇论文暗示：在质子 - 铅核这种“小系统”碰撞中，如果方向对（铅核方向），可能真的产生了一滴微小的、短命的“岩浆”（QGP）。这是从“小系统”向“大系统”（如铅 - 铅碰撞，那里肯定有岩浆）过渡的关键证据。

5. 总结：这篇论文告诉我们什么？

1. 方向很重要：同样的碰撞，只是方向反一下，粒子的命运就完全不同。
2. 小系统也有大秘密：以前大家认为只有巨大的铅 - 铅碰撞才会产生“岩浆”（QGP），但这篇论文表明，在质子 - 铅核这种相对较小的碰撞中，只要条件合适（铅核方向），也可能出现类似“岩浆”的效应。
3. 新机制：在铅核方向，除了普通的“拥挤效应”，可能还存在一种更深层的、类似 QGP 的抑制机制，正在悄悄改变粒子的产生比例。

一句话总结：
LHCb 科学家通过观察微观粒子在“撞车”后的生存状况，发现当铅核冲在前面时，产生了一种类似“岩浆”的特殊环境，这让我们对宇宙大爆炸初期的状态以及物质在极端条件下的行为有了全新的认识。

技术摘要

以下是基于 CERN-EP-2025-114 论文《Measurement of ψ(2S) to J/ψ cross-section ratio as function of multiplicity in pPb collisions at √sNN = 8.16 TeV》的详细技术总结：

1. 研究问题 (Problem)

重夸克偶素（如粲偶素）的产生是理解量子色动力学（QCD）及高温高密度环境下强相互作用物质行为的关键探针。

• 核心挑战：在重离子碰撞（如 PbPb）中，夸克 - 胶子等离子体（QGP）的形成会导致重夸克偶素（特别是激发态）的抑制（Debye 屏蔽等机制）。然而，在质子 - 原子核（pA）或小碰撞系统中，是否存在类似的 QGP 效应仍存在争议。
• 具体目标：研究质子 - 铅（pPb）碰撞中，激发态 $\psi(2S)$ 与基态 $J/\psi$ 的产生截面比值随事件多重数（Multiplicity）的变化。
  • 通过比较不同多重数下的比值，可以区分初态效应（如核部分子分布函数修正）和末态效应（如与共动粒子（comovers）的相互作用或 QGP 形成）。
  • 特别关注**前向（p-going）与后向（Pb-going）**方向的不对称性，以探索不同核物质密度环境下的物理机制。
  • 区分瞬发（Prompt）（直接产生）和非瞬发（Non-prompt）（来自 b 强子衰变）的产生源。

2. 方法论 (Methodology)

• 实验装置与数据：
  • 使用 LHCb 探测器，覆盖前向快度区域（$2 < \eta < 5$）。
  • 数据来自 2016 年 LHC 运行的 pPb 和 Pbp 碰撞，质心系能量 $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV。
  • 积分亮度：pPb 为 13.6 nb$^{-1}$，Pbp 为 20.8 nb$^{-1}$。
  • 衰变道：双缪子末态（$\mu^+\mu^-$）。
• 事件选择与分类：
  • 根据缪子横向动量（$p_T > 0.9$ GeV/c）、赝快度（$2 < \eta < 5$）及不变质量窗口进行选择。
  • 利用伪衰变时间（$t_z$）区分瞬发和非瞬发信号：瞬发信号 $t_z \approx 0$，非瞬发信号具有指数分布（源于 b 强子寿命）。
  • 多重数变量：定义了三种多重数度量：$N^{PV}_{tracks}$（主顶点重建使用的径迹数）、$N^{PV}_{fwd}$（前向区域径迹数）和 $N^{PV}_{bwd}$（后向区域径迹数），用于表征事件的活动度。
• 信号提取：
  • 采用扩展的二维非分箱最大似然拟合（Extended 2D unbinned maximum-likelihood fit），变量为双缪子不变质量（$m_{\mu\mu}$）和伪衰变时间（$t_z$）。
  • 质量分布使用 Crystal Ball 函数建模，$t_z$ 分布使用 $\delta$ 函数（瞬发）和指数函数（非瞬发）卷积高斯分辨率函数。
• 效率修正与归一化：
  • 计算总效率（接受度、重建、粒子鉴别 PID、触发），并修正 $p_T$ 和 $y^*$ 分布的偏差。
  • 计算归一化的截面比值：$\frac{\sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi)}{\langle \sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi) \rangle}$，以消除分支比和部分子分布函数的初态影响，专注于末态效应。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

• 首次详细测量 pPb/Pbp 中的前向 - 后向不对称性：不仅测量了 pPb 配置，还对比了 Pbp 配置（质子束流向探测器 vs 铅束流向探测器），揭示了不同核物质密度环境下的显著差异。
• 区分瞬发与非瞬发机制：明确展示了瞬发 $\psi(2S)$ 对多重数的依赖性与非瞬发源完全不同，证实了观测到的效应主要源于直接产生的粲偶素与末态环境的相互作用。
• 提出 QGP 滴（QGP droplet）存在的证据：在 Pbp 配置（铅束流向探测器，高重子密度）中，未发现随多重数增加的抑制效应，这与 pp 和 pPb 配置的行为截然不同，暗示在 Pbp 配置中可能形成了类似 QGP 的介质，导致 $\psi(2S)$ 的额外抑制机制（超越共动粒子效应）。

4. 主要结果 (Results)

• 瞬发 $\psi(2S)/J/\psi$ 比值的多重数依赖性：
  • pPb 配置（质子流向探测器）：观察到比值随多重数（$N^{PV}_{tracks}$ 和 $N^{PV}_{fwd}$）增加而显著下降。线性拟合斜率为负（$p_1 \approx -0.28$），统计显著性极高（p-value $5 \times 10^{-6}$）。这表明在高多重数下，$\psi(2S)$ 相对于 $J/\psi$ 受到更强的抑制，符合共动粒子（comover）相互作用或 QGP 滴形成的预期。
  • Pbp 配置（铅流向探测器）：比值没有显示出随多重数变化的显著趋势（数据与常数假设一致）。
  • 非瞬发源：在两种配置中均未观察到随多重数的依赖性，符合预期（因为 b 强子产生主要受初态影响，且在比值中抵消）。
• 前向 - 后向不对称性：
  • 在 pPb 配置中，前向（p-going）区域显示出强烈的抑制趋势，而后向（Pb-going）区域（通过 $N^{PV}_{bwd}$ 测量）趋势较弱。
  • 在 Pbp 配置中，由于铅束流向探测器，整个探测区域处于高核物质密度环境中，但未观察到类似 pPb 前向区域的强依赖关系，反而表现出与 PbPb 碰撞中观察到的抑制模式更相似的特征（即整体抑制，但随多重数变化不明显，或受不同机制主导）。
• 与其他系统的对比：
  • pPb 的结果与 pp 碰撞结果一致，表明共动粒子效应是主导机制。
  • Pbp 的结果与 PbPb 碰撞（ALICE 数据）更相似，暗示在 Pbp 的高密度环境中，除了共动粒子效应外，可能存在额外的抑制机制（如 QGP 形成）。

5. 科学意义 (Significance)

• 小系统到大系统的过渡：该研究提供了从小碰撞系统（pp, pPb）向大碰撞系统（PbPb）过渡的关键证据。Pbp 配置中观察到的独特行为表明，即使在小系统中，当核物质密度足够高时，也可能触发类似 QGP 的形成。
• QGP 滴的探针：结果支持了在高多重数小碰撞系统中可能存在短寿命、小体积的 QGP 滴（QGP droplet）的假设。这种额外的抑制机制无法仅用冷核物质效应或共动粒子模型解释。
• 理论约束：为理论模型（如色玻璃凝聚体 CGC、共动粒子模型、QGP 形成模型）提供了严格的实验约束，特别是关于激发态粲偶素在不同核环境下的解离机制。
• 未来方向：强调了在质子 - 原子核碰撞中区分不同方向（前向/后向）的重要性，为未来在更高能量或不同核组合下的研究指明了方向。

总结：该论文通过高精度测量 LHCb 数据，揭示了 $\psi(2S)$ 与 $J/\psi$ 比值在 pPb 和 Pbp 碰撞中对事件多重数的不同响应。这一发现不仅证实了共动粒子效应在 pPb 前向区域的主导作用，更在 Pbp 配置中发现了可能源于 QGP 形成的额外抑制机制，为理解小系统中强相互作用物质的相变提供了重要线索。