Prompt and non-prompt J/Psi production at midrapidity in Pb-Pb collisions at √s = 5.02 TeV with ALICE

Abstract

ALICE-eksperimentet studerer tungionekollisjonar ved Large Hadron Collider (LHC) for å utvide forståinga vår av den sterke vekselverknaden ved ekstremt høge energiar. Meir spesifikt blir produksjon av charmonium brukt til å undersøke eigenskapane av den teitte og varme kjernematerien som vert danna under slike ekstreme tilstandar. Denne kjernematerien vert kalla kvark-gluon plasma (QGP). J/Psi-mesonet er ein grunntilstand av charmonium som kan nyttast til å sjå effektane av QGP. Ved å skilje på opphavet til J/Psi-mesona kan ein også få eit innblikk i fysikk som omhandlar hadron med ein tung kvark og ein eller fleire lettare kvarkar (open-heavy flavor). Såkalla treige J/Psi er henfall ved den svake verkselverknaden frå hadron med ein botnkvark. Produksjonen av desse partiklane gjer at vi kan studere undertrykkinga av botnkvark-hadron som er i kollisjonar mellom blykjerner samanlikna med protonkollisjonar. Botnkvark-hadrona er særleg sensitive til eigenskapane til mediumet sidan botnkvarkane er forventa å interagere med partiklane som er i QGP.

ALICE-apparatet har ein utmerka sporing og ein strålande kapasitet til å identifisere partiklar i eit unikt kinematisk vindauge ned til eit svært lågt transvers momentum pT ved midrapiditet (|y| < 0.9). Kvarkoniumproduksjon i ALICE blir studert gjennom å sjå på anten elektron-henfallskanalen ved midrapiditet eller muon-henfallskanalen ved framrapiditet. Arbeidet som vert presentert i denne tesen er fokusert på \jpsi-produksjonen ved midrapiditet og er basert på ALICE-data som er samla inn under LHC Run 2 frå kollisjonar av blykjerner som har ein massesenterenergi på sqrt(sNN) = 5.02. Elektron er identifisert ned til særs låge moment ved hjelp av framifrå partikkelidentifikasjon i den sentrale tønna. Prosedyren med å skilje på raske og treige J/Psi er tufta på den gode detektoroppløysinga. Alt dette gjer at målingane i denne oppgåva kan bli gjort heilt ned til pT = 1.5 GeV/$c$.

Etter å ha valgt ut passande \jpsi-kandidatar blir ein sannsynsmetode brukt til å skilje mellom raske og treige J/Psi. Denne prosessen vert utført i fire ulike sentralitetsområde: 0-10%, 10-30%, 30-50%, og 50-90%. Etter at korreksjonar for aksept og effektivitet vert gjort via dedikerte Monte Carlo-simuleringar, får ein ut ein fraksjon av treig J/Psi av det totale J/Psi-signalet fB med usikkerheiter. Desse målingane vert samanlikna med eldre Run 1-målingar frå ALICE ved sqrt(sNN) = 2.76 TeV, i tillegg til liknande målingar frå andre LHC-eksperiment. Ved å kombinere fB med den inklusive J/Psi-produksjonen, kan ein også få ut produksjonen av rask og treig J/Psi. Dette er også samanlikna med teoretiske modellar.

For å kvantisere effektane av kvark-gluon-plasmaet som er til stades i høg-energikollisjonane av tunge ion ved LHC, vert den nukleære modifikasjonsfaktoren RAA for rask og treig J/Psi rekna ut. Dette er gjort ved å kombinere fB frå blykollisjonar med den inklusive RAA og den korresponderande fB frå protonkollisjonar. Den sistnemnde er funne via ein interpoleringsprosedyre. Resultata er presentert som ein funksjon av transvers momentum pT og som funksjon av sentralitet. Også her vert resultata samanlikna med Run 1 ALICE-resultat og liknande målingar frå andre LHC-eksperiment som har eit høgare pT-vindauge. Både raske og treige J/Psi RAA-resultat vert samanlikna med dei nyaste og beste teoretiske modellane. Det vert også presentert ein utsikt over framtida for ALICE. Her vert det diskutert kva forbetringar som er venta framover etter at ALICE-detektorane har blitt oppgradert.

The ALICE collaboration studies heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider (LHC) to further expand our understanding of the strong interaction at extremely high energies. Charmonium production is used as a probe to investigate the properties of the dense and hot nuclear matter forming in such conditions referred to as quark-gluon plasma (QGP). The J/Psi meson is a ground state of charmonium and can be used to investigate the effects. By separating the J/Psi by its origin, we also gain access to open-heavy flavor physics as the so-called non-prompt J/Psi comes from weak decays of beauty hadrons. In particular, non-prompt J/Psi production allows to shed light on the suppression of beauty hadrons in heavy-ion collisions compared to proton-proton collisions. Beauty hadrons are particularly sensitive to the medium properties as the beauty quarks are produced early in the collisions and thus experience the full evolution of the QGP.

The ALICE apparatus provides excellent tracking and particle identification capabilities in a unique kinematic window, namely down to very low transverse momentum pT at midrapidity (|y| < 0.9). Quarkonium production in ALICE is studied via both dielectron and dimuon decay channels, at mid and forward rapidity, respectively. The work presented in this thesis is focused on the J/Psi production at midrapidity and it is based on Run 2 datasets from the LHC collected by the ALICE experiment from Pb--Pb collisions at the center of mass energy sqrt(sNN) = 5.02. Electrons are identified down to very low momenta thanks to the excellent particle identification in the central barrel, while the separation of prompt and non-prompt J/Psi relies on the excellent spatial resolution. This allows the measurements described in this thesis to be performed down to pT = 1.5 GeV/c.

After properly selecting J/Psi candidates, a likelihood fit procedure is utilized to separate the prompt and the non-prompt J/Psi. This procedure is done in four different regions of centrality, in particular 0-10%, 10-30%, 30-50%, and 50-90%. After corrections for acceptance and efficiency estimated through dedicated Monte Carlo simulations, the resulting non-prompt J/Psi fractions with uncertainties are determined. They are compared to corresponding Run 1 ALICE measurements at sqrt(sNN) = 2.76 TeV, as well as to similar measurements from other LHC experiments. By combining the non-prompt J/Psi fraction fB with the inclusive J/Psi yield, we also gain access to the prompt and non-prompt J/Psi production yields, which are also compared to theoretical models.

To quantify the effects of the quark-gluon plasma created in the high-energy heavy-ion collisions at LHC, the nuclear modification factors RAA of prompt and non-prompt J/Psi are calculated. This is done by combining fB in Pb--Pb collisions with the inclusive RAA and the corresponding fB obtained in proton-proton collisions, the latter determined via an interpolation procedure. The results are presented as a function of the transverse momentum pT and as a function of centrality. Comparisons to both Run 1 ALICE results and existing measurements from other LHC experiments, the latter available at higher pT, are performed. Both prompt and non-prompt J/Psi RAA results are compared to state of art theoretical models. Finally, an outlook is provided highlighting the improvement expected with the current detector thanks to the major ALICE upgrade that happened during the second long shutdown.