J/psi production at midrapidity in proton-proton collisions at √s = 13 TeV with ALICE

Abstract

Samspillet mellom det perturbative og ikke-perturbative regimet gjør charmonium produksjon til en viktig testarena for å utvide forståelsen av den sterke vekselvirkningen. Til tross for pågående innsats gjenstår det å fastslå en fullstendig teoretisk beskrivelse av produksjonsmekanismen. Flere differensielle studier av charmonium-tilstander, som for eksempel J/ψ-mesonet, kan gi viktig innsikt i produksjonsmekanismen. Målinger av den hadronisk aktiviteten rundt det produserte J/ψ-mesonet kan gi ytterligere forståelse for charmonium produksjon og bidra til å avgrense teoretiske modeller.

Denne avhandlingen presenterer to målinger, nemlig det inklusive J/ψ virkningstversnittet og fragmenteringsfunksjonen for prompte og ikke-prompte J/ψ i ladede jeter, utført i ALICE eksperimentet ved CERNs partikkelakselerator ’Large Hadron Collider’ (LHC). Begge målingene er utført med data fra proton-proton kollisjoner med en massesenterenergi √ s = 13 TeV, hvor J/ψ-mesonet blir rekonstruert gjennom elektronpositron- henfallskanalen ved midrapiditet.

Det rapporterte inklusive J/ψ virkningstverrsnittet er utført på et ’minimum-bias’ (MB) trigget datasett og er målt ned til forsvinnende transversalt momentum (pT). Integrerte, pT-differensielle og rapiditetsdifferensielle resultater blir presentert. Resultatene blir sammenlignet med målinger ved lavere kollisjonsenergi utført ved midrapiditet, samt målinger med samme kollisjonsenergi utført ved fremre rapiditet. I tillegg, sammenlignes resultatene med flere teoretiske beregninger, som alle er i stand til å beskrive det observerte spekteret.

Fragmenteringsfunksjonen for prompte og ikke-prompte J/ψ i ladede jeter er målt basert på et ’Transition Radiation Detector’ (TRD) trigget datasett. Jeter blir rekonstruert fra ladede partikkelbaner og rekonstruerte J/ψ-meson ved hjelp av anti-kT algoritmen. Ladede jeter blir rekonstruert med en resolusjonsparameter R = 0.4 og pseudorapiditet |ηjet ch.| < 0.9−R. Fragmenteringsfunksjonen for J/ψ i ladede jeter zch. er målt individuelt for prompte og ikke-prompte J/ψ-mesoner, hvor differensieringen er mulig på grunn av den lange levetiden til hadroner som inneholder en bunnkvark. Målingen er rapportert for ladede jeter i det transversale momentumspekteret fra 7 < pjet ch. T < 15 GeV/c for zch. > 0.3. Resultatene sammenlignes med PYTHIA simuleringer med ulike produksjonsinnstillinger. I tillegg, presenteres flere ulike PYTHIA studier.

Charmonium production serves as a benchmark test for understanding the strong interaction, due to the interplay between the perturbative and non-perturbative regimes. Despite ongoing efforts, a full theoretical description of the production mechanism remains to be determined. More differential studies of bound charmonium states, such as the J/ψ meson, may shed a light on the production mechanism. Measurements of the hadronic activity surrounding produced J/ψ mesons may further elucidate charmonium production and provide model constraints.

This thesis presents two measurements, the inclusive J/ψ production cross section and the prompt and non-prompt J/ψ fragmentation function in charged jets, performed in the ALICE experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC). Both measurements are reported in proton-proton collisions with a center-of-mass energy √ s = 13 TeV, where the J/ψ is reconstructed through the electron-positron decay channel at midrapidity.

The inclusive J/ψ production cross section is measured down to vanishing transverse momentum (pT) using a minimum-bias (MB) triggered data sample. The integrated, pT-differential, and rapidity-differential results are reported. Results are compared to midrapidity measurements at lower collision energies and forward rapidity measurements at the same collision energy. In addition, the measurements are compared to several theoretical calculations, which give a proficient description of the observed spectrum.

The prompt and non-prompt J/ψ fragmentation function in charged jets is measured using a Transition Radiation Detector (TRD) triggered data sample. Jets are reconstructed from charged particle tracks and reconstructed J/ψ mesons, using the anti-kT algorithm. Charged jets are reconstructed with a resolution parameter R = 0.4 in the pseudorapidity range |ηjet ch.| < 0.9 − R. The J/ψ fragmentation function in charged jets zch. is measured separately for prompt and non-prompt J/ψ, where separation is possible by virtue of the long lifetime of the beauty-hadron. The measurements are reported in the charged jet transverse momentum range 7 < pjet ch. T < 15 GeV/c for zch. > 0.3. The results are compared to PYTHIA predictions with several different production settings. In addition, several PYTHIA studies are presented.