Studies of Possible QGP Estimators in proton-proton Collisions

This thesis presents studies of three different Quark-Gluon Plasma estimators in proton-proton collisions using what is currently believed to be quark-gluon plasma observables; radial flow, elliptic flow and strangeness enhancement. The three tested estimators were Transverse Spherocity, an altered version of Transverse Spherocity where all p_T was put to one, and a newly developed estimator called Mid-Forward. The first part involved simulation studies where the estimators were tested using different settings within the Rope Hadronization framework in PYTHIA. The aim for this thesis was to find an estimator working for all three observables. However, this was not achieved as the results from the simulation study indicated that both spherocity estimators work well for the radial flow observable but not for elliptic flow, while the mid-forward estimator did not perform well for radial flow, it was the best candidate when measuring elliptic flow. Therefore the mid-forward estimator was selected for the data analysis of elliptic flow using two particle correlations. These results did not agree with what was observed in the results from the simulation studies, which could be due to low statistics in the data analysis.Forskning inom partikelfysik grundar sig i att försöka förstå naturens lagar vilket har givit oss insikt i den fundamentala strukturen av materia. Man trodde länge att atomen var den minsta byggsten av materian runt omkring oss (där atom kommer från grekiskans átomos och betyder odelbar), men forskning visade att detta inte stämde. En förenklad modell är att atomen består av elektroner som kretsar runt en atomkärna, där kärnan kan delas upp i atomer och neutroner som i sin tur består av kvarkar och gluoner. Vår nuvarande kunskap om den fundamentala strukturen av materia är samlad i den så kallade Standard Modellen av partikelfysik som ger en matematisk beskrivning av elementarpartiklar och deras växelverkan. Elementarpartiklarna som ingår i Standard Modellen delas in i två grupper; fermioner och bosoner, där fermioner är de partiklar som utgör all materia och bosoner är de kraft-förmedlande partiklarna som växelverkar mellan fermionerna. I Standard Modellen ingår även tre fundamentala krafter; den starka, den svaga och den elektromagnetiska kraften. Den starka kraften är, som kanske förstås av namnet, den starkaste av de tre krafterna och är den som håller ihop elementarpartiklarna och då bildar större partiklar som kallas hadroner. Exempel på hadroner är protonen och neutronen. Bosonen som förmedlar den starka kraften kallas gluon och har, till skillnad från fotonen som är den kraft-förmedlande bosonen för den elektromagnetiska kraften, inte bara en elektrisk laddning utan även färgladdning. Även kvarkar har färgladdning. Gluonens färgladdning medför att gluonen kan växelverka med sig själv som i sin tur ger upphov till att kvarkar inte kan existera fritt utan att de alltid är sammansatta i färg-neutrala hadroner. Det har dock länge funnits teorier om att vid extremt höga temperaturer och/eller partikel densiteter så “smälter” hadronerna till ett tillstånd där kvarkar och gluoner är nästan fria. Detta tillstånd kallas Kvark-Gluon Plasma, och man tror att denna plasma existerade under de första micro-sekunderna efter Big-Bang när Universum var extremt varmt och hade hög täthet. Man tror även att plasman idag existerar i kärnan av neutronstjärnor på grund av den höga densiteten där. Idag kan de höga temperatur - och densitet - tillstånden som krävs för att skapa plasman uppnås i laboratoriemiljö med hjälp av partikelacceleratorer där man kan kollidera tunga joner i höga energier. Ett exempel på ett sådant experiment är ALICE experimentet som är ett av fyra experiment vid LHC (Large Hadron Collider) på CERN i Genève. Där har man lyckats att komma upp i en temperatur på ca 740 MeV vilket motsvarar 1.5 miljarder gånger varmare än solens yta. Plasman som skapas i laboratoriemiljö har en livstid på endast $10^{-22}$ sekunder innan kvarkarna och gluonerna förenas och bildar hadroner igen. Denna korta livstid gör det omöjligt att direkt studera plasman och man får därför studera olika karaktäristiska signaturer av de partiklar (hadroner) som man kan detektera. Man har länge trott att plasman endast kan skapas vi energi-densiteten som uppnås vid tung-jons kollisioner, dvs kollisioner mellan t.ex. bly eller guld joner, men detta har man nyligen börjat ifrågasätta då man observerat kvark-gluon plasma signaturer vid kollisioner mellan proton och bly, och proton-proton. För att undersöka detta behövs inte bara mer data (mer statistik) utan även nya typer av mätningar som är känsligare för den underliggande fysiken. Ett exempel på en sådan mätning som används nu är Transverse Spherocity. Den delar upp proton-proton kollisioner i olika kategorier beroende på kollisions formen i det transversa planet. Det har dock nyligen visat sig att Transverse Spherocity fungerar bra för några plasma signaturer så som radial flow, men att den kanske inte alls fungerar för andra signaturer så som elliptic flow. Mål för denna uppsatsen är därför att komma på och testa alternativa mätningsmetoder för kvark-gluon plasman. Det första steget var att testa och utveckla de nya ideerna på simulerad data med olika modeller för att utifrån det välja ut några signaturer och metoder och testa dem på data från ALICE för att se hur metoderna fungerar för de olika signaturerna. Om någon utav metoderna skulle fungera för de olika plasma signaturerna så hade det kunnat leda till en bättre förståelse av de kollektiva effekter som man har observerat i de mindre kollisions systemen. Om det även visar sig att dessa effekter beror på ett medium som expanderar har skapats i de små systemen (så som i de större tung-jons systemen) så kan detta innebära att de större systemen kan tolkas som en förlängning av de små systemen. Dessa slutsatser hade varit banbrytande och betytt att man hade fått tänka om när det kommer till vår kunskap om den starka kraften och tung-jons fysiken

Separation of Hard and Soft Production in High Multiplicity pp Collisions using Transverse Spherocity

A big question at LHC is if the Quark-Gluon Plasma is produced in small systems such as pp and p-Pb collisions. A general problem in small systems is that possible medium effects are small and can be obscured by hard collisions such as jet production. In this project the goal is to use a new method, the Transverse Spherocity, to subdivide proton-proton events into soft and hard classes. The hope is that one in this way can select soft pp-collisions where the medium effects are enhanced and the hard processes are suppressed.Partikel fysik, ämnet som har för avsikt att förklara de allra minsta beståndsdelarna i vårt universum. Forskning inom partikel fysik är viktig för att få en djupare förståelse om kvantkromodynamiken (teorin om den starka växelverkan som är en av de fundamentala krafterna) men även utanför partikelfysiken som till exempel inom kosmologi eftersom att det antas att ett par micro-sekunder efter Big Bang så bestod universum av nästan fria fundamentala partiklar, kvarkar och gluoner i en så kallad kvark-gluonplasma. Under de första micro-sekunderna efter Big Bang var energidensiteten extremt hög och det är endast under dessa förhållanden som kvarkar och gluoner kan frigöra sig från deras annars sammansatta stabila tillstånd som hadroner (exempel på hadroner är protoner och neutroner) där de hålls ihop med hjälp av den starka växelverkan mellan varandra. Det är detta tillstånd av materia, då kvarkar och gluoner rör sig fritt under den höga energidensiteten, som kallas kvark-gluonplasma. Den höga energidensiteten går att uppnå experimentellt genom att accelerera tunga atomkärnor och låta dem kollidera med varandra. Detta gör man bland annat vid ALICE experimentet på CERN i Genève. Där har man, för en kort stund, kunnat återskapa kvark-gluonplasman genom att kollidera bly-kärnor eller bly-kärnor och protoner med varandra. Däremot har man ännu inte lyckats upptäcka kvark-gluonplasma vid proton-proton kollisioner och det är därför av intresse att studera dessa för att se om plasman även skapas i dessa små system. Små system i det här fallet syftar på proton-proton kollisioner då de är, i förhållande till blykärnor, små. I de små systemen är det svårt att se effekterna från den potentiella plasman på grund av att dessa är väldigt små jämfört med effekterna från bland annat jets. Därför har man kommit på en lösning som förhoppningsvis gör det möjligt att lättare se kvark-gluonplasmans effekter. Denna lösning är en metod som kallas Transverse Spherocity Method. Transverse spherocity metoden gör ett urval från den insamlade datan för att få ut mer information genom att titta på formen av varje händelse, där händelse, i det här fallet, syftar på när två partiklar eller atomkärnor kolliderar och nya partiklar bildas. Mer specifikt används metoden för att kategorisera händelserna utifrån den geometriska spridningen av den transversella rörelsemängden av de laddade partiklarna som skapats i kollisionen. Händelserna kategoriseras som antingen en isotropisk eller en jet-liknande händelse, där isotropisk i det här fallet motsvarar effekter från potentiell kvark-gluonplasma. Transverse spherocity metoden har testats på simulerad data och det var nu av intresse att testa metoden på riktig data och det visade sig att metoden gjorde det lättare att urskilja de olika effekterna och visade på att det sannerligen fanns potentiella effekter från kvark-gluonplasma i proton-proton kollisioner

New constraints of QCD matter from improved Bayesian parameter estimation with the latest LHC data

Transport properties of the matter created in heavy-ion collisions, the quark-gluon plasma (QGP), contain essential information about quantum chromodynamics (QCD). In this talk, we present our latest study in inferring the transport properties of QGP by an improved Bayesian analysis using the CERN Large Hadron Collider Pb-Pb data. The uncertainties of the extracted properties are reduced by adding new observables sensitive to specific shear and bulk viscosity, reflecting mostly nonlinear hydrodynamic responses. The analysis also reveals that higher-order harmonic flows and their correlations have a higher sensitivity to the transport properties than other observables. This observation shows the necessity of accurate measurements of these observables including heavy quarks in the future.nonPeerReviewe

New Constraints of QCD Matter from Bayesian Parameter Estimation with LHC Data

nonPeerReviewe

Measurement of the impact-parameter dependent azimuthal anisotropy in coherent ρ0 photoproduction in Pb–Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV

The first measurement of the impact-parameter dependent angular anisotropy in the decay of coherently photoproduced ρ0 mesons is presented. The ρ0 mesons are reconstructed through their decay into a pion pair. The measured anisotropy corresponds to the amplitude of the cos(2ϕ) modulation, where ϕ is the angle between the two vectors formed by the sum and the difference of the transverse momenta of the pions, respectively. The measurement was performed by the ALICE Collaboration at the LHC using data from ultraperipheral Pb−Pb collisions at a center-of-mass energy of sNN−−−√ = 5.02 TeV per nucleon pair. Different impact-parameter regions are selected by classifying the events in nuclear-breakup classes. The amplitude of the cos(2ϕ) modulation is found to increase by about one order of magnitude from large to small impact parameters. Theoretical calculations, which describe the measurement, explain the cos(2ϕ) anisotropy as the result of a quantum interference effect at the femtometer scale that arises from the ambiguity as to which of the nuclei is the source of the photon in the interaction

Measurement of the production and elliptic flow of (anti)nuclei in Xe–Xe collisions at √sNN = 5.44 TeV

Measurements of (anti)deuteron and (anti)3He production in the rapidity range |y|< 0.5 as a function of the transverse momentum and event multiplicity in Xe−Xe collisions at a center-of-mass energy per nucleon−nucleon pair of sNN−−−√ = 5.44 TeV are presented. The coalescence parameters B2 and B3 are measured as a function of the transverse momentum per nucleon. The ratios between (anti)deuteron and (anti)3He yields and those of (anti)protons and pions are reported as a function of the mean charged-particle multiplicity density, and compared with two implementations of the statistical hadronization model (SHM) and with coalescence predictions. The elliptic flow of (anti)deuterons is measured for the first time in Xe−Xe collisions and shows features similar to those already observed in Pb−Pb collisions, i.e., the mass ordering at low transverse momentum and the meson−baryon grouping at intermediate transverse momentum. The production of nuclei is particularly sensitive to the chemical freeze-out temperature of the system created in the collision, which is extracted from a grand-canonical-ensemble-based thermal fit, performed for the first time including light nuclei along with light-flavor hadrons in Xe−Xe collisions. The extracted chemical freeze-out temperature Tchem = (154.2 ± 1.1) MeV in Xe−Xe collisions is similar to that observed in Pb−Pb collisions and close to the crossover temperature predicted by lattice QCD calculations

Measurement of the production cross section of prompt Ξ0c baryons in p–Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV

The transverse momentum (pT) differential production cross section of the promptly-produced charm-strange baryon Ξ0c (and its charge conjugate Ξ0c¯¯¯¯¯¯) is measured at midrapidity via its hadronic decay into π+Ξ− in p−Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon−nucleon collision sNN−−−√ = 5.02 TeV with the ALICE detector at the LHC. The Ξ0c nuclear modification factor (RpPb), calculated from the cross sections in pp and p−Pb collisions, is presented and compared with the RpPb of Λ+c baryons. The ratios between the pT-differential production cross section of Ξ0c baryons and those of D0 mesons and Λ+c baryons are also reported and compared with results at forward and backward rapidity from the LHCb Collaboration. The measurements of the production cross section of prompt Ξ0c baryons are compared with a model based on perturbative QCD calculations of charm-quark production cross sections, which includes only cold nuclear matter effects in p−Pb collisions, and underestimates the measurement by a factor of about 50. This discrepancy is reduced when the data is compared with a model in which hadronisation is implemented via quark coalescence. The pT-integrated cross section of prompt Ξ0c-baryon production at midrapidity extrapolated down to pT = 0 is also reported. These measurements offer insights and constraints for theoretical calculations of the hadronisation process. Additionally, they provide inputs for the calculation of the charm production cross section in p−Pb collisions at midrapidity

Measurement of Ω0c baryon production and branching-fraction ratio BR(Ω0c → Ω−e+νe)/BR(Ω0c → Ω−π+) in pp collisions at √s = 13 TeV

The inclusive production of the charm-strange baryon Ω0c is measured for the first time via its semileptonic decay into Ω−e+νe at midrapidity (|y| < 0.8) in proton–proton (pp) collisions at the centre-of-mass energy √s = 13 TeV with the ALICE detector at the LHC. The transverse momentum (pT) differential cross section multiplied by the branching ratio is presented in the interval 2 < pT < 12 GeV/c. The branching-fraction ratio BR(Ω0c → Ω−e+νe)/BR(Ω0c → Ω−π+) is measured to be 1.12 ± 0.22 (stat.) ± 0.27 (syst.). Comparisons with other experimental measurements, as well as with theoretical calculations, are presented

Investigating strangeness enhancement with multiplicity in pp collisions using angular correlations

A study of strange hadron production associated with hard scattering processes and with the underlying event is conducted to investigate the origin of the enhanced production of strange hadrons in small collision systems characterised by large charged-particle multiplicities. For this purpose, the production of the single-strange meson K0S and the double-strange baryon Ξ± is measured, in each event, in the azimuthal direction of the highest-pT particle (``trigger" particle), related to hard scattering processes, and in the direction transverse to it in azimuth, associated with the underlying event, in pp collisions at s√=5.02 TeV and s√=13 TeV using the ALICE detector at the LHC. The per-trigger yields of K0S and Ξ± are dominated by the transverse-to-leading production (i.e., in the direction transverse to the trigger particle), whose contribution relative to the toward-leading production is observed to increase with the event charged-particle multiplicity. The transverse-to-leading and the toward-leading Ξ±/K0S yield ratios increase with the multiplicity of charged particles, suggesting that strangeness enhancement with multiplicity is associated with both hard scattering processes and the underlying event. The relative production of Ξ± with respect to K0S is higher in transverse-to-leading processes over the whole multiplicity interval covered by the measurement. The K0S and Ξ± per-trigger yields and yield ratios are compared with predictions of three different phenomenological models, namely PYTHIA 8.2 with the Monash tune, PYTHIA 8.2 with ropes and EPOS LHC. The comparison shows that none of them can quantitatively describe either the transverse-to-leading or the toward-leading yields of K0S and Ξ±

K∗^{*}(892)±^{\pm} resonance production in Pb−-Pb collisions at sNN\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02 TeV

International audienceThe production of K$^*$(892)$^\pm$ meson resonance is measured at midrapidity ($|y|8$ GeV/$c$, consistent with measurements for other light-flavored hadrons. The smallest values are observed in most central collisions, indicating larger energy loss of partons traversing the dense medium