Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and Heavy-Ion Collisions at the CERN-LHC - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and Heavy-Ion Collisions at the CERN-LHC

Résumé

Ultra-relativistic heavy-ion collisions aim at investigating the properties ofstrongly-interacting matter at extreme conditions of temperature and energy density. According to quantum chromodynamics (QCD) calculations, under such conditions, the formation of a deconfined medium, the Quark-Gluon Plasma (QGP), is expected. Amongst the most important probes of the properties of the QGP, heavy quarks are of particular interest since they are expected to be produced in hard scattering processes during the early stage of the collision and subsequently interact with the hot and dense medium. Therefore, the measurement of quarkonium states and open heavy flavours should provide essential information on the properties of the system formed at the early stage of heavy-ion collisions. Indeed, open heavy flavours are expected to be sensitive to the energy density through the mechanism of in-medium energy loss of heavy quarks, while quarkonium production should be sensitive to the initial temperature of the system through their dissociation due to color screening. The measurement of the collective flow of heavy flavours provides additional insights on the possible thermalization of heavy quarks in the medium. Furthermore, one of the important medium characteristic, viscosity over entropy (eta/s), can be extracted by combining the information from measured nuclear modification factor (related to in-medium energy loss) and the magnitude of the heavy quark flow. In this regard, both quarkonium and open heavy flavour production are a field of intense experimental and theoretical researches. Despite the work devoted to these studies at SPS and RHIC, several questions are left open. With a nucleus-nucleus center of mass energy nearly 15 times larger than the one reached RHIC, the LHC which started operating in November 2009, provides a new era for studies of interacting matter at high temperature and energy density. One of the most important aspects of this new energy range is the abundant production rate of heavy quarks which are used, for the first time, as high statistics probes of the medium. The LHC delivered the first proton-proton collisions at √s = 0.9 TeV in October 2009 and reached its current maximum energy of 7 TeV in March 2010. A short proton-proton run at √s = 2.76 TeV, at the same energy than the Pb-Pb run, was performed in March 2011. The first heavy-ion run (Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV) took place in November 2010 and the second one end of 2011. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the experiment dedicated to the study of heavy-ion collisions at the LHC. ALICE also takes part in the LHC proton- proton program which is of great interest for testing perturbative QCD calculations at unprecedented low Bjorken-x values and for providing the necessary baseline for nucleus-nucleus and proton-nucleus collisions. ALICE will also collect, in the beginning of 2013, p-Pb/Pb-p collisions in order to investigate cold nuclear matter effects. ALICE measures quarkonia and open heavy flavours with (di)-electrons, (di)-muons and through the hadronic channels. This thesis work is devoted to the study of open heavy flavours in proton-proton and Pb-Pb collisions via single muons with the ALICE forward muon spectrometer. The document is organized as follows. The first chapter consists in a general introduction on heavy-ion collisions and QCD phase transitions. Chapter 2 summarizes the motivations for the study of open heavy flavours in nucleon-nucleon, nucleon-nucleus and nucleus-nucleus collisions. A particular emphasis is placed on the novelties at the LHC. Chapter 3 gives an overview of the ALICE experiment with a detailed description of the forward muon spectrometer. Chapter 4 gives a short summary of the ALICE online and offline systems. Then the analysis framework (for data and simulations) and in particular the software developed for the study of open heavy flavours is detailed. Chapter 5 summarizes the performance of the ALICE muon spectrometer for the study of the production of open heavy flavours in pp collisions via single muons and dimuons. Chapters 6 to 9 are dedicated to data analysis. Chapter 6 deals with the analysis of first pp collisions at 900 GeV. The main aim was the understanding of the response of the apparatus. These data allowed also to determine the analysis strategy for heavy flavour measurement in the single muon channel: selection of events, optimization of cuts, understanding of the background components in data. Chapter 7 presents the measurement of the production of heavy flavour decay muons in pp collisions at √s = 7 TeV. The analysis strategy is described: event and track selection, background subtraction (mainly the contribution of muons from primary pion and kaon decays), corrections, normalization and investigation of the systematic uncertainties. The experimental results are discussed and compared to perturbative QCD calculations (Fixed Order Next-to-Leading Log calculations). That concerns the transverse momentum and rapidity differential production cross sections of muons from heavy flavours decays at forward rapidity (2.5 < y < 4). Chapter 8 addresses the measurement of heavy flavour decay muon production in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV collected in 2010. The analysis strategy is presented. In-medium effects are investigated by means of the nuclear modification factor (RAA) of muons from heavy flavour decays. The proton-proton reference is obtained from the measurement of the differential production cross section of heavy flavour decay muons at the same center of mass energy. The nuclear modification factor is studied as a function transverse momentum (pt) and collision centrality. For comparison, results obtained with the central-to-peripheral nuclear modification factor RCP are also discussed. Chapter 9 gives an overview of the different methods investigated in ALICE for the study of the elliptic flow. In particular, the recent methods which allow to remove non-flow effects like the Q-Cumulants and Lee-Yang Zeroes are detailed. Promising results concerning the inclusive muon elliptic flow as a function of pt and centrality obtained with different flow analysis methods are compared. Finally, summary and outlooks are given.
Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes et de température de densité d'énergie. Les calculs de la ChromoDynamique Quantique (QCD) prédisent dans ces conditions une nouvelle phase de la matière dans laquelle on assisterait au déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premieres instants de la collision puis traversent le milieu produit durant la collision. Par conséquent, la mesure des quarkonia et des saveurs lourdes ouvertes devrait être particulièrement intéressante pour l'étude des propriétés du système créé aux premiers instants de la collision. On s'attend à ce que les saveurs lourdes ouvertes présentent des sensibilités à la densité d'énergie via les mécanismes de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu et que les quarkonia soient sensibles à la température initiale du système via leur dissociation par écrantage de couleur. La mesure du flot des saveurs lourdes devrait apporter des informations concernant le degré de thermalisation des quarks lourds dans le milieu nucléaire. De plus, l'observable viscosité/entropie pourrait être obtenue en combinant les mesures du facteur de modification nucléaire et de flot. En conséquence, l'étude de la production des quqrkonia et saveurs lourdes ouvertes est un domaine de recherche intensément étudié au niveau experimental et théorique. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie par paire de nucléon de 15 fois supérieure à celle du RHIC, le LHC entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. Un des plus importants aspects de ce domaine en énergie est l'abondante production de quarks lourds utilisés pour la première fois comme sonde de haute statistique du milieu. Le LHC délivra les premières collisions pp à √s = 0.9 TeV en octobre 2009 et a atteint l'énergie de √s = 7 TeV en mars 2010. Un run pp à √s = 2.76 TeV a eu lieu en mars 2011 pendant une durée limitée. Les runs Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV ont eu lieu fin 2010 et 2011. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est l'expérience dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds au LHC. ALICE enregiste aussi des collisions pp afin de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de x-Bjorken et de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et p-noyau. ALICE enregistrera aussi, début 2013, des collisions p-Pb/Pb-p afin d'étudier les effets nucléaires froids. Les quarkonia et saveurs lourdes ouvertes sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration (di)-muonique, (di)-electronique et hadronique. Cette thèse concerne l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp et Pb-Pb avec les muons simples mesurés aux rapidités avant avec le spectromètre à muons d'ALICE. Le document est structuré comme suit. Le premier chapitre est une introduction à la physique des collisions d'ions lourds et du diagramme de phase de la matière nucléaire. Le deuxième chapitre présente les objectifs de l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions proton-proton, proton-noyau et noyau-noyau. Un intérêt particulier est porté au domaine en énergie du LHC. Le troisième chapitre est une description du détecteur ALICE et du spectromètre à muons. Le quatrième chapitre présente les systèmes "online" et "offline". Le cinquième chapitre est un résumé des performances du spectromètre à muons pour la mesure des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp au moyen des muons simples et dimuons. Les chapitres 6 à 9 concernent l'analyse de données. Le sixième chapitre décrit l'analyse des premières collisions pp à √s = 0.9 TeV collectées avec ALICE. L'objectif principal était la compréhension de la réponse du détecteur. Ces données ont permis aussi fixer la stratégie d'analyse des saveurs lourdes ouvertes : sélection des événements, optimisation des coupures, différentes sources de bruit de fond à soustraire. Le septième chapitre présente la mesure de la section de production des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp à √s = 7 TeV. La méthode d'analyse est décrite. Cela concerne la sélection des collisions et traces reconstruites dans le spectromètre à muons, la soustraction du bruit de fond (composé principalement de muons issus de la désintégration de pions et kaons primaires), les corrections, la normalisation et la détermination des incertitudes systématiques. Les résultats expérimentaux sont discutés et comparés aux calculs perturbatifs QCD (calculs "Fixed Order Next-to-Leading Log"). Cela concerne les sections efficaces de production des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes aux rapidités avant (2.5 < y < 4) en fonction de la rapidité et de l'impulsion transverse (pt). Le huitième chapitre aborde la mesure des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV collectées en 2010. Les effets de milieu nucléaire sont étudiés à partir du facteur de modification nucléaire RAA. La référence pp est déterminée à partir de l'analyse des collisions pp à √s = 2.76 TeV. Le facteur de facteur modification nucléaire est étudié en fonction de pt et de la centralité de la collision. Pour comparaison, les résultats obtenus à partir de la mesure du facteur de modification nucléaire central sur périphérique (RCP) sont aussi présentés. Le neuvième chapitre commence par une revue des différentes méthodes utilisées pour la mesure de la composante de flot elliptique. Les méthodes telles que les cumulants et Lee-Yang Zeroes, permettant de supprimer les effets non-flot, sont détaillées. Des premiers résultats prometteurs concernant la mesure de la composante de flot elliptique des muons sont discutés. Ils sont obtenus avec différentes méthodes et présentés en fonction de pt et de la centralité de la collision. Le manuscrit se termine par une conclusion et des perspectives.
Fichier principal
Vignette du fichier
XZhangPD2012.pdf (26.63 Mo) Télécharger le fichier

Dates et versions

tel-00786269 , version 1 (08-02-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00786269 , version 1

Citer

X. Zhang. Study of Heavy Flavours from Muons Measured with the ALICE Detector in Proton-Proton and Heavy-Ion Collisions at the CERN-LHC. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00786269⟩
332 Consultations
645 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More