Probing the Quark-Gluon Plasma from bottomonium production at forward rapidity with ALICE at the LHC

par Massimiliano Marchisone

Thèse de doctorat en Physique Corpusculaire

Sous la direction de Pascal Dupieux et de Ermanno Vercellin.

Le président du jury était Imad Laktineh.

Le jury était composé de Giuseppe Iaselli, Xavier Lopez, Roberta Arnaldi.

Les rapporteurs étaient Imad Laktineh, Giuseppe Iaselli.

  • Titre traduit

    Etude du plasma de quarks et gluons via la production à l’avant de bottomonium dans l’expérience ALICE au LHC


  • Résumé

    Les collisions d’ions lourds ultrarelativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à températures et densités d'énergie extrêmes. La chromodynamique quantique (QCD) prédit, dans ces conditions, l’existence d’une nouvelle phase de la matière dans laquelle les constituants des hadrons sont déconfinés en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premiers instants des collisions, avant de traverser le milieu. Par conséquent, la mesure des quarkonia (mésons cc et bb) est particulièrement intéressante pour l'étude du QGP : leur dissociation, due notamment à l’écrantage de couleur, est sensible à la température initiale du système. 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 14 fois supérieure à celle du RHIC, l’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au CERN, entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est une des quatre grandes expériences fonctionnant auprès du LHC et dont le but principal est l'étude du plasma de quarks et gluons produit dans les collisions d'ions plomb à une énergie de 2.76 TeV par nucléon. Elle enregistre aussi des collisions pp afin de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et proton-noyau et de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de la variable d'échelle x de Bjorken. Les quarkonia, ainsi que les saveurs lourdes ouvertes et les mésons légers, sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration muonique avec le spectromètre à muons situé à petit angle polaire. Il est constitué d'un ensemble d’absorbeurs, d’un dipôle chaud, de cinq stations de trajectographie (Muon Tracking) et de deux stations de déclenchement (Muon Trigger). Le travail présenté dans cette thèse a été réalisé de 2011 à 2013 pendant les premières années de prise de données dans l’expérience ALICE. Après une introduction à la physique des ions lourds à hautes énergies et une description du setup expérimental, une étude des performances du Muon Trigger en Pb-Pb est proposée. En particulier, la stabilité dans le temps du détecteur et son efficacité de fonctionnement sont contrôlées. Le cluster size, correspondant au nombre moyen de voies adjacentes touchées par particule détectée, est étudié en fonction des différents variables. Les valeurs expérimentales sont comparées à des simulations afin de fournir une paramétrisation de cet effet. Finalement, la production du méson Ç en collisions Pb-Pb est analysée en détail et comparée à celle en collisions pp à la même énergie. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures du J/ψ par ALICE, aux mesures par CMS et à des prédictions de modèles théoriques.


  • Résumé

    The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb–Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.


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