Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

From the chiral magnetic wave to the charge dependence of elliptic flow

The quark-gluon plasma formed in heavy ion collisions contains charged chiral fermions evolving in an external magnetic field. At finite density of electric charge or baryon number (resulting either from nuclear stopping or from fluctuations), the triangle anomaly induces in the plasma the Chiral Magnetic Wave (CMW). The CMW first induces a separation of the right and left chiral charges along the magnetic field; the resulting dipolar axial charge density in turn induces the oppositely directed vector charge currents leading to an electric quadrupole moment of the quark-gluon plasma. Boosted by the strong collective flow, the electric quadrupole moment translates into the charge dependence of the elliptic flow coefficients, so that $v_2(\pi^+) < v_2(\pi^-)$ (at positive net charge). Using the latest quantitative simulations of the produced magnetic field and solving the CMW equation, we make further quantitative estimates of the produced $v_2$ splitting and its centrality dependence. We compare the results with the available experimental data.

Measurement of electrons from heavy-flavour hadron decays in p-Pb collisions at $\\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV using TPC and EMCal detectors with ALICE at LHC

Heavy-ion collisions are a powerful tool to study hot and dense QCD matter, the so-called Quark Gluon Plasma (QGP). Since heavy quarks (charm and beauty) are dominantly produced in the early stages of the collision, they experience the complete evolution of the system. Measurements of electrons from heavy-flavour hadron decay is one possible way to study the interaction of these particles with the QGP. With ALICE at LHC, electrons can be identified with high efficiency and purity. A strong suppression of heavy-flavour decay electrons has been observed at high $p_{m T}$ in Pb-Pb collisions at 2.76 TeV. Measurements in p-Pb collisions are crucial to understand cold nuclear matter effects on heavy-flavour production in heavy-ion collisions. The spectrum of electrons from the decays of hadrons containing charm and beauty was measured in p-Pb collisions at $\\sqrt = 5.02$ TeV. The heavy flavour decay electrons were measured by using the Time Projection Chamber (TPC) and the Electromagnetic Calorimeter (EMCal) detectors from ALICE in the transverse-momentum range $2 < p_ < 20$ GeV/c. The measurements were done in two different data set: minimum bias collisions and data using the EMCal trigger. The non-heavy flavour electron background was removed using an invariant mass method. The results are compatible with one ($R_ \\approx$ 1) and the cold nuclear matter effects in p-Pb collisions are small for the electrons from heavy-flavour hadron decays.

Lambda_c detection using a weighted Bayesian PID approach

Lo scopo della tesi è di stimare le prestazioni del rivelatore ALICE nella rivelazione del barione Lambda_c nelle collisioni PbPb usando un approccio innovativo per l'identificazione delle particelle. L'idea principale del nuovo approccio è di sostituire l'usuale selezione della particella, basata su tagli applicati ai segnali del rivelatore, con una selezione che usi le probabilità derivate dal teorema di Bayes (per questo è chiamato "pesato Bayesiano"). Per stabilire quale metodo è il più efficiente , viene presentato un confronto con altri approcci standard utilizzati in ALICE. Per fare ciò è stato implementato un software di simulazione Monte Carlo "fast", settato con le abbondanze di particelle che ci si aspetta nel nuovo regime energetico di LHC e con le prestazioni osservate del rivelatore. E' stata quindi ricavata una stima realistica della produzione di Lambda_c, combinando i risultati noti da esperimenti precedenti e ciò è stato usato per stimare la significatività secondo la statistica al RUN2 e RUN3 dell'LHC. Verranno descritti la fisica di ALICE, tra cui modello standard, cromodinamica quantistica e quark gluon plasma. Poi si passerà ad analizzare alcuni risultati sperimentali recenti (RHIC e LHC). Verrà descritto il funzionamento di ALICE e delle sue componenti e infine si passerà all'analisi dei risultati ottenuti. Questi ultimi hanno mostrato che il metodo risulta avere una efficienza superiore a quella degli usuali approcci in ALICE e che, conseguentemente, per quantificare ancora meglio le prestazioni del nuovo metodo si dovrebbe eseguire una simulazione "full", così da verificare i risultati ottenuti in uno scenario totalmente realistico.

Os efeitos nucleares em processos de produ¸c˜ao de quarkonium no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e no Large Hadron Collider (LHC)

Neste trabalho de disserta¸c˜ao, investigamos os efeitos nucleares em processos de produ¸c˜ao de quarkonium no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e no Large Hadron Collider (LHC). Para tanto, consideramos o Modelo de Evapora¸c˜ao de Cor (CEM), baseado em processos partˆonicos calculados mediante a QCD perturbativa e em intera¸c˜oes n˜ao perturbativas via troca de gl´uons suaves para a forma¸c˜ao do quarkonium. Supress˜ao de quarkonium ´e um dos sinais de forma¸c˜ao do assim chamado Plasma de Quarks e Gl´uons (QGP) em colis˜oes ultrarelativ´ısticas de ´ıons pesados. No entanto, a supress˜ao n˜ao ´e somente causada em colis˜oes n´ucleo-n´ucleo (AA) devido `a forma¸c˜ao do QGP. De fato, a supress˜ao de quarkonium tamb´em foi observada em colis˜oes pr´oton-n´ucleo (pA). A fim de separar os efeitos da mat´eria quente (devidos ao QGP) e fria (efeitos n˜ao devidos ao QGP), pode-se olhar primeiro para colis˜oes pA, onde somente efeitos de mat´eria fria desempenham um papel fundamental, e depois aplicar esses efeitos em colis˜oes AA, uma vez que parte da supress˜ao ´e devido a efeitos de mat´eria fria. No regime de altas energias, a produ¸c˜ao do quarkonium ´e fortemente dependente da distribui¸c˜ao de gl´uons nuclear, o que viabiliza uma oportunidade ´unica de estudar o comportamento de pequeno x dos gl´uons dentro do n´ucleo e, consequentemente, restringir os efeitos nucleares. Estudamos os processos nucleares utilizando distintas parametriza¸c˜oes para as distribui¸c˜oes partˆonicas nucleares. Calculamos a raz˜ao nuclear para processos pA e AA em fun¸c˜ao da vari´avel rapidez para a produ¸c˜ao de quarkonium, o que permite estimar os efeitos nucleares. Al´em disso, apresentamos uma compara¸c˜ao com os dados do RHIC para a produ¸c˜ao do m´eson J/Ψ em colis˜oes pA, demonstrando que a an´alise deste observ´avel ´e uma quest˜ao em aberto na literatura. Adicionalmente, estimamos a produ¸c˜ao de quarks pesados e quarkonium na etapa inicial e durante a fase termal de uma colis˜ao ultrarelativ´ıstica de ´ıons pesados. O objetivo deste estudo ´e estimar as distintas contribui¸c˜oes para a produ¸c˜ao e de alguns efeitos do meio nuclear.

Entropy production in the early-cosmology pionic phase

We point out that in the early universe, for temperatures in the approximate interval 150-80 MeV (after the quark-gluon plasma), pions carried a large share of the entropy and supported the largest inhomogeneities. Its thermal conductivity (previously calculated) allows the characterization of entropy production due to equilibration (damping) of thermal fluctuations. Simple model distributions of thermal fluctuations are considered and the associated entropy production evaluated.

Study of charm hadronisation in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ALICE experiment

In high-energy hadron collisions, the production at parton level of heavy-flavour quarks (charm and bottom) is described by perturbative Quantum Chromo-dynamics (pQCD) calculations, given the hard scale set by the quark masses. However, in hadron-hadron collisions, the predictions of the heavy-flavour hadrons eventually produced entail the knowledge of the parton distribution functions, as well as an accurate description of the hadronisation process. The latter is taken into account via the fragmentation functions measured at e$^+$e$^-$ colliders or in ep collisions, but several observations in LHC Run 1 and Run 2 data challenged this picture. In this dissertation, I studied the charm hadronisation in proton-proton collision at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ALICE experiment at the LHC, making use of a large statistic data sample collected during LHC Run 2. The production of heavy-flavour in this collision system will be discussed, also describing various hadronisation models implemented in commonly used event generators, which try to reproduce experimental data, taking into account the unexpected results at LHC regarding the enhanced production of charmed baryons. The role of multiple parton interaction (MPI) will also be presented and how it affects the total charm production as a function of multiplicity. The ALICE apparatus will be described before moving to the experimental results, which are related to the measurement of relative production rates of the charm hadrons $\Sigma_c^{0,++}$ and $\Lambda_c^+$, which allow us to study the hadronisation mechanisms of charm quarks and to give constraints to different hadronisation models. Furthermore, the analysis of D mesons ($D^{0}$, $D^{+}$ and $D^{*+}$) as a function of charged-particle multiplicity and spherocity will be shown, investigating the role of multi-parton interactions. This research is relevant per se and for the mission of the ALICE experiment at the LHC, which is devoted to the study of Quark-Gluon Plasma.

The interplay of multiplicity and effective energy for (multi) strange hadron production in pp collisions at the LHC

The enhanced production of strange hadrons in heavy-ion collisions relative to that in minimum-bias pp collisions is historically considered one of the first signatures of the formation of a deconfined quark-gluon plasma. At the LHC, the ALICE experiment observed that the ratio of strange to non-strange hadron yields increases with the charged-particle multiplicity at midrapidity, starting from pp collisions and evolving smoothly across interaction systems and energies, ultimately reaching Pb-Pb collisions. The understanding of the origin of this effect in small systems remains an open question. This thesis presents a comprehensive study of the production of $K^{0}_{S}$, $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) and $\Xi^{-}$ ($\bar{\Xi}^{+}$) strange hadrons in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected in LHC Run 2 with ALICE. A novel approach is exploited, introducing, for the first time, the concept of effective energy in the study of strangeness production in hadronic collisions at the LHC. In this work, the ALICE Zero Degree Calorimeters are used to measure the energy carried by forward emitted baryons in pp collisions, which reduces the effective energy available for particle production with respect to the nominal centre-of-mass energy. The results presented in this thesis provide new insights into the interplay, for strangeness production, between the initial stages of the collision and the produced final hadronic state. Finally, the first Run 3 results on the production of $\Omega^{\pm}$ ($\bar{\Omega}^{+}$) multi-strange baryons are presented, measured in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV and 900 GeV, the highest and lowest collision energies reached so far at the LHC. This thesis also presents the development and validation of the ALICE Time-Of-Flight (TOF) data quality monitoring system for LHC Run 3. This work was fundamental to assess the performance of the TOF detector during the commissioning phase, in the Long Shutdown 2, and during the data taking period.

Machine learning techniques for heavy-flavour baryon production measurements at the LHC

Il quark-gluon plasma (QGP) è uno stato della materia previsto dalla cromodinamica quantistica. L’esperimento ALICE a LHC ha tra i suoi obbiettivi principali lo studio della materia fortemente interagente e le proprietà del QGP attraverso collisioni di ioni pesanti ultra-relativistici. Per un’esaustiva comprensione di tali proprietà, le stesse misure effettuate su sistemi collidenti più piccoli (collisioni protone-protone e protone-ione) sono necessarie come riferimento. Le recenti analisi dei dati raccolti ad ALICE hanno mostrato che la nostra comprensione dei meccanismi di adronizzazione di quark pesanti non è completa, perchè i dati ottenuti in collisioni pp e p-Pb non sono riproducibili utilizzando modelli basati sui risultati ottenuti con collisioni e+e− ed ep. Per questo motivo, nuovi modelli teorici e fenomenologici, in grado di riprodurre le misure sperimentali, sono stati proposti. Gli errori associati a queste nuove misure sperimentali al momento non permettono di verificare in maniera chiara la veridicità dei diversi modelli proposti. Nei prossimi anni sarà quindi fondamentale aumentare la precisione di tali misure sperimentali; d’altra parte, stimare il numero delle diverse specie di particelle prodotte in una collisione può essere estremamente complicato. In questa tesi, il numero di barioni Lc prodotti in un campione di dati è stato ottenuto utilizzando delle tecniche di machine learning, in grado di apprendere pattern e imparare a distinguere candidate di segnale da quelle di fondo. Si sono inoltre confrontate tre diverse implementazioni di un algoritmo di Boosted Decision Trees (BDT) e si è utilizzata quella più performante per ricostruire il barione Lc in collisioni pp raccolte dall’esperimento ALICE.

Cold-Nuclear-Matter Effects on Heavy-Quark Production in d+Au Collisions at root S-NN=200 GeV

The PHENIX experiment has measured electrons and positrons at midrapidity from the decays of hadrons containing charm and bottom quarks produced in d + Au and p + p collisions at root S-NN = 200 GeV in the transverse-momentum range 0.85 <= p(T)(e) <= 8.5 GeV/c. In central d + Au collisions, the nuclear modification factor R-dA at 1.5 < p(T) < 5 GeV/c displays evidence of enhancement of these electrons, relative to those produced in p + p collisions, and shows that the mass-dependent Cronin enhancement observed at the Relativistic Heavy Ion Collider extends to the heavy D meson family. A comparison with the neutral-pion data suggests that the difference in cold-nuclear-matter effects on light- and heavy-flavor mesons could contribute to the observed differences between the pi(0) and heavy-flavor-electron nuclear modification factors R-AA. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.242301

Deviation from quark number scaling of the anisotropy parameter v(2) of pions, kaons, and protons in Au+Au collisions at root s(NN)=200 GeV

Measurements of the anisotropy parameter v(2) of identified hadrons (pions, kaons, and protons) as a function of centrality, transverse momentum p(T), and transverse kinetic energy KET at midrapidity (vertical bar eta vertical bar < 0.35) in Au + Au collisions at root s(N N) = 200 GeV are presented. Pions and protons are identified up to p(T) = 6 GeV/c, and kaons up to p(T) = 4 GeV/c, by combining information from time-of-flight and aerogel Cerenkov detectors in the PHENIX Experiment. The scaling of v(2) with the number of valence quarks (n(q)) has been studied in different centrality bins as a function of transverse momentum and transverse kinetic energy. A deviation from previously observed quark-number scaling is observed at large values of KET/n(q) in noncentral Au + Au collisions (20-60%), but this scaling remains valid in central collisions (0-10%).

Off-Diagonal Quark Distributions in Pions in the Effective Single-Instanton Approximation

Nonperturbative functions that parametrize off-diagonal hadronic matrix elements of the light-cone leading-twist quark operators are considered. These functions are calculated within the proposed relativistic quark model allowing for the nontrivial structure of the QCD vacuum, special attention being given to gauge invariance. Hadrons are treated as bound states of quarks; strong-interaction quark-pion vertices are described by effective interaction Lagrangians generated by instantons. The parameters of the instanton vacuum, such as the effective radius of the instanton and the quark mass, are related to the vacuum expectation values of the quark-gluon operators of the lowest dimension and to low-energy pion observables. © 2000 MAIK Nauka/Interperiodica.

Gravidade de Lovelock e a correspondência AdS/CFT

A correspondência AdS/CFT é uma notável ferramenta no estudo de teorias de gauge fortemente acopladas que podem ser mapeadas em uma descrição gravitacional dual fracamente acoplada. A correspondência é melhor entendida no limite em que ambos $N$ e $\\lambda$, o rank do grupo de gauge e o acoplamento de \'t Hooft da teoria de gauge, respectivamente, são infinitos. Levar em consideração interações com termos de curvatura de ordem superior nos permite considerar correções de $\\lambda$ finito. Por exemplo, a primeira correção de acoplamento finito para supergravidade tipo IIB surge como um termo de curvatura com forma esquemática $\\alpha\'^3 R^4$. Neste trabalho investigamos correções de curvatura no contexto da gravidade de Lovelock, que é um cenário simples para investigar tais correções pois as suas equações de movimento ainda são de segunda ordem em derivadas. Esse cenário também é particularmente interessante do ponto de vista da correspondência AdS/CFT devido a sua grande classe de soluções de buracos negros assintoticamente AdS. Consideramos um sistema de gravidade AdS-axion-dilaton em cinco dimensões com um termo de Gauss-Bonnet e encontramos uma solução das equações de movimento, o que corresponde a uma black brane exibindo uma anisotropia espacial, onde a fonte da anisotropia é um campo escalar linear em uma das coordenadas espaciais. Estudamos suas propriedades termodinâmicas e realizamos a renormalização holográfica usando o método de Hamilton-Jacobi. Finalmente, usamos a solução obtida como dual gravitacional de um plasma anisotrópico fortemente acoplado com duas cargas centrais independentes, $a eq c$. Calculamos vários observáveis relevantes para o estudo do plasma, a saber, a viscosidade de cisalhamento sobre densidade de entropia, a força de arrasto, o parâmetro de jet quenching, o potencial entre um par quark-antiquark e a taxa de produção de fótons.

High p(T) direct photon and pi(0) triggered azimuthal jet correlations and measurement of k(T) for isolated direct photons in p plus p collisions at root s=200 GeV

Correlations of charged hadrons of 1< p(T) < 10 Gev/c with high pT direct photons and pi(0) mesons in the range 5< p(T) < 15 Gev/c are used to study jet fragmentation in the gamma + jet and dijet channels, respectively. The magnitude of the partonic transverse momentum, k(T), is obtained by comparing to a model incorporating a Gaussian kT smearing. The sensitivity of the associated charged hadron spectra to the underlying fragmentation function is tested and the data are compared to calculations using recent global fit results. The shape of the direct photon-associated hadron spectrum as well as its charge asymmetry are found to be consistent with a sample dominated by quark-gluon Compton scattering. No significant evidence of fragmentation photon correlated production is observed within experimental uncertainties.