⚛️ high-energy experiments

Measurement of $J/\psi$ -jet correlations in $pp$ and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS实验通过根据 $J/\psi$ 介子相对于喷注的隔离程度及其瞬发性对其进行分类，测量了在 $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV下的$pp$和Pb+Pb碰撞中的 $J/\psi$ -喷注相关性，揭示了强烈的抑制效应在高达高横向动量时依然存在，并为粲偶素的产生机制及其与夸克-胶子等离子体的相互作用提供了新的约束。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-07-01

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CC BY 4.0

原作者： ATLAS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器，它将微小粒子以接近光速的速度撞击在一起。当科学家将沉重的铅原子撞在一起时，会创造出一种转瞬即逝、极高温度的“汤”，这种物质被称为夸克-胶子等离子体（QGP）。你可以把这种“汤”想象成一种浓密且混乱的雾气，在这个过程中，物质的基本构建模块（夸克）可以自由移动，而不是被困在成对或成组的状态中。

这篇论文是一份来自 ATLAS 实验的报告，该实验是观察这些碰撞的一个巨型探测器之一。科学家们正在试图解开一个谜团：为什么某些被称为“粲夸克偶素”（特别是 J/ψ 粒子）的重粒子在穿过这种炽热的“汤”时会消失或被“抑制”？

为了理解它们为何消失，科学家需要准确了解这些粒子是如何诞生的，以及它们如何与周围的“交通流量”进行相互作用。以下是他们利用简单类比进行的调查分解：

1. 消失之谜

在正常的碰撞中（比如将两个质子撞在一起），J/ψ 粒子诞生并飞走。但在沉重的铅碰撞中，许多 J/ψ 粒子消失了。科学家认为，炽热的 QGP 雾气正在“融化”它们或阻挡它们的路径。为了弄清楚这究竟是如何发生的，他们需要知道：J/ψ 粒子是单独诞生的，还是诞生在一个繁忙的“喷注”（jet）中？

2. 两种不同的“诞生方式”

科学家意识到 J/ψ 粒子来自两个不同的“家族”：

“瞬时”家族（Prompt）： 这些是在碰撞发生的瞬间立即诞生的。它们就像两辆车相撞的那一秒钟出现的火花。
“非瞬速”家族（Non-Prompt）： 这些是在稍后一瞬间由更重的粒子（B 强子）衰变而成的。它们就像在碰撞发生后，在一些碎片落下之后才出现的火花。

3. “喷注”的联系

在粒子物理学中，当一个粒子被创造出来时，它通常会拖着一簇其他粒子，形成一个“喷注”。

孤立的 J/ψ： 想象一只在森林中独行的孤狼。它没有附带任何喷注。
非孤立的 J/ψ： 想象一只走在狼群中心的狼。它被喷注中的其他粒子所包围。

创新之处： 以前的研究通常只关注那些已经存在喷注的事件。这篇论文很特别，因为它观察了所有 J/ψ 粒子，无论它们是落单的还是成群的。他们将“孤狼”与“群狼”区分开来，以观察 QGP 雾气对它们的对待方式是否不同。

4. 调查过程

团队分析了两类“比赛”的数据：

质子-质子（pp）碰撞： “对照组”。这就像是一个没有雾气的晴天。
铅-铅（Pb+Pb）碰撞： “实验组”。这是厚重的雾气（QGP）。

他们统计了在雾气中生存下来的 J/ψ 粒子数量，并将其与晴天下的数量进行了对比。他们还检查了“孤狼”（孤立）和“群狼”（非孤立）谁的生存率更高或更低。

5. 研究结果

雾气很强大： 在沉重的铅碰撞中，J/ψ 粒子确实受到了抑制（它们消失的频率比在晴朗的质子碰撞中更高）。即使对于速度最快、能量最高的粒子，这种抑制现象依然存在。
“群狼”对比“孤狼”：
- 科学家发现“孤狼”和“群狼”之间存在细微但显著的差异。
- 非孤立的 J/ψ 粒子（那些诞生在喷注内部的粒子）受到的抑制比孤立的粒子更严重。
- 类比： 想象你在一个拥挤的人群中行走。如果你是独自一人，你可能会被推搡，但你仍能找到路径。如果你是在一个巨大的、混乱的群体（喷注）中行走，人群会推挤整个群体，使得其中的任何人都很难穿过去。数据表明，诞生在喷注中的 J/ψ 粒子比那些单独诞生的粒子更容易受到“人群”（QGP）的影响。
时间很重要： “非瞬速”（延迟诞生）的粒子被发现主要在高速状态下表现为“孤立”状态，而“瞬时”诞生的粒子则更有可能出现在喷注中。

6. 为什么这很重要

这项研究不仅是在计数粒子；它改变了理论模型的游戏规则。

此前，模型难以解释这些粒子究竟是如何产生的，以及它们是如何损失能量的。
通过将“孤狼”与“群狼”区分开来，科学家们为理论家们提供了一个全新的、更锐利的工具。他们现在知道，“群体”（喷注）在 J/ψ 损失能量的过程中起到了至关重要的作用。

总结：
ATLAS 团队就像是在犯罪现场工作的侦探。他们发现，早期宇宙的“热汤”会抑制重粒子。但更重要的是，他们发现这些粒子的诞生方式（单独诞生还是在喷注中诞生）会改变它们受到的抑制程度。“群体”受到的“汤”的影响比“孤狼”更大。这有助于科学家理解当物质被加热到数万亿度时，那些看不见的力量是如何运作的。

技术摘要：使用 ATLAS 探测器测量 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 下 $pp$ 和 Pb+Pb 碰撞中的 $J/\psi$ –喷注相关性

问题与动机
粲偶素产生，特别是 $J/\psi$ 介子（一种 $c\bar{c}$ 束缚态），在重离子碰撞中相对于质子-质子 ($pp$) 碰撞表现出强烈的抑制，这是由于其与夸克-胶子等离子体 (QGP) 的相互作用所致。虽然色筛分、介质解离和再生等机制已得到理解，但粲偶素的精确产生机制仍未得到解决。具体而言，目前尚不清楚粲偶素如何与喷注活动相关联，以及高 $p_T$ 的 $J/\psi$ 是否会经历类似于喷注淬火的介质诱导能量损失。此前由 CMS 和 LHCb 进行的 $J/\psi$ –喷注相关性测量依赖于由存在喷注的事件触发的样本，或者根据喷注的四动量（包含 $J/\psi$ 本身）将 $J/\psi$ 定义为“在喷注内”。这些方法会引入潜在的偏差，并且无法完全分离 $J/\psi$ 的运动学与喷注的运动学。本文旨在通过分析所有 $J/\psi$ 事件、分离 $J/\psi$ 运动学与喷注运动学，并区分瞬时（直接产生）和非瞬时（来自 $b$ 强子衰变） $J/\psi$ 介子，来量化 $J/\psi$ –喷注相关性。

方法论
本分析利用了 LHC ATLAS 探测器收集的数据，对应于 $1.82 \text{ nb}^{-1}$ 的 Pb+Pb 碰撞（2015 年和 2018 年）以及 $0.26 \text{ fb}^{-1}$ 的 $pp $碰撞（2017 年），所有碰撞能量均为$ \sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV。

事件选择与重建： $J/\psi$ 候选粒子通过双缪子衰变道 ( $\mu^+\mu^-$ ) 进行重建，满足 $p_T > 9$ GeV 且 $|y| < 2$ 。缪子必须满足“中等 (Medium)”工作点，并与触发级缪子匹配。
喷注关联： 使用 anti- $k_t$ 算法重建喷注，半径参数 $R=0.2$ ，横动量阈值为 $p_T > 20$ GeV。至关重要的是，喷注重建排除了 $J/\psi$ 介子的信号。
分类： $J/\psi$ $J / ψ$ 候选粒子被分为三类：
1. 非隔离 (Non-isolated)： 与 $\Delta R < 0.4$ 范围内的喷注相匹配。
2. 包含 (Inclusive)： 所有选定的 $J/\psi$ 候选粒子。
3. 隔离 (Isolated)： 定义为包含类产量与非隔离类产量的差值（ $N_{iso} = N_{incl} - N_{non-iso}$ ）。
信号提取： 通过对双缪子不变质量 ( $m_{\mu\mu}$ ) 和伪固有寿命 ( $\tau_{\mu\mu}$ ) 分布进行无分箱极大似然拟合，提取瞬时和非瞬时 $J/\psi$ 的产量。拟合模型包括信号成分（Crystal Ball + 高斯函数）和背景成分（指数函数），涵盖瞬时和非瞬时来源。
修正： 对原始分布进行接受度、触发效率、重建效率以及喷注相关效应（包括喷注能量标度、分辨率以及通过正交锥方法估计的来自底层事件或多部分子相互作用的背景喷注）的修正。
观测物理量： 研究报告了 $pp$ 碰撞中的微分截面、Pb+Pb 碰撞中的产量（按事件计数和核重叠函数 $\langle T_{AA} \rangle$ 归一化）、核修正因子 ( $R_{AA}$ )、隔离分数以及非瞬时分数。

主要贡献

解耦运动学： 分析通过在不含 $J/\psi$ 信号的情况下重建喷注，并将 $J/\psi$ 运动学与喷注运动学分离，从而实现了运动学的解耦，而非依赖于喷注触发事件。
隔离定义： 引入了基于附近不存在高 $p_T$ 喷注的严格“隔离” $J/\psi$ 介子定义，从而允许对隔离与非隔离产生机制进行直接比较。
瞬时与非瞬时分离： 测量提供了跨所有类别（隔离、非隔离、包含）的瞬时和非瞬时 $J/\psi$ 的独立结果。
系统误差处理： 文中详细阐述了源自喷注修正、背景减除和拟合模型的系统不确定性，特别讨论了 Pb+Pb 碰撞中底层事件对喷注标记的影响。

结果

隔离分数： 隔离 $J/\psi$ 介子的比例在 $p_T \approx 9$ GeV 时开始于 1，并在 $p_T \approx 50$ GeV 时下降到 0.6 至 0.8 之间。在 $pp$ 和 Pb+Pb 碰撞中，瞬时 $J/\psi$ 的隔离分数系统性地比非瞬时 $J/\psi$ 高出 10–20%。在 $pp$ 与 Pb+Pb 碰撞之间，或在不同的中心度区间内，均未观察到隔离分数的显著差异。
非瞬时分数： 包含类 $J/\psi$ 的非瞬时分数从 $p_T = 10$ GeV 时的 $\approx 0.3$ 增加到 $p_T = 50$ GeV 时的 $\approx 0.6$ 。对于 $p_T > 15$ GeV 的非隔离 $J/\psi$ ，其非瞬时分数约为 0.7，且不显示 $p_T$ 依赖性。
核修正因子 ( $R_{AA}$ )：
- 在最高测量的 $p_T$ 范围内，所有类别均观察到强烈的抑制。
- 对于瞬时 $J/\psi$ ，隔离类和包含类的 $R_{AA}$ 值在整个 $p_T$ 范围内是一致的。
- 然而，对于 $p_T > 30$ GeV，非隔离瞬时 $J/\psi$ 的 $R_{AA}$ 系统性地低于隔离瞬时 $J/\psi$ 。该差异通过 Stouffer 检验具有 3.5 $\sigma$ 的显著性，通过斜率比较具有 3.3 个标准差的显著性。
- 对于非瞬时 $J/\psi$ ，在三种隔离类别之间未观察到显著差异。
碎裂函数： $pp $碰撞中瞬时$ J/\psi$ 的原始碎裂函数在定性上与 Pythia 8 对非瞬时产生的预测一致，但与瞬时产生的预测显著不同，这表明模型低估了在部分子淋洗后期产生的瞬时 $J/\psi$ 。

意义
该论文声称，这些结果为粲偶素产生机制及其在介质中的抑制提供了新的约束。通过证明非隔离瞬时 $J/\psi$ 介子（即与喷注相关的 $J/\psi$ ）在高 $p_T$ 下比隔离类经历更强的抑制（ $R_{AA}$ ），作者表明，与更发达的部分子淋洗或碎裂系统相关联的 $J/\psi$ 产生，可能会受到增强的能量损失或解离影响。这些结果为旨在描述 $pp$ 和 Pb+Pb 碰撞中 $J/\psi$ 产生的理论模型提供了关键输入，特别是关于喷注淬火与粲偶素抑制之间的相互作用。