Mesure des propriétés des jets dans les collisions pp et Pb-Pb a 5.02 TeV avec l'expérience ALICE auprès du LHC

par Ritsuya Hosokawa

Thèse de doctorat en Physique Subatomique et Astroparticules

Sous la direction de Christophe Furget et de Shinichi Esumi.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université de Tsukuba - Japon , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (laboratoire) .


  • Résumé

    Les jets sont les signatures expérimentales des quarks et des gluons émergeant des diffusions dures produites lors des interactions hadroniques. La section efficace de production de jets se calcule dans la cadre de la ChromoDynamique Quantique perturbative (pCDQ), faisant des mesures de jets un test sévère des prédictions de la pCDQ. En collisions d'ions lourds ultrarelativistes, les jets constituent des sondes bien étalonnées du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Dans des conditions extrêmes de température et de pression, les partons se déconfinent pour former une matière QCD en interaction forte. Les partons émis dans les collisions dures perdent de l'énergie à la traversée de ce milieu par perte d'énergie radiative et collisionnelle. Les propriétés des jets sont alors modifiées par rapport au vide, phénomène appelé étouffement des jets. Les propriétés de transport du PGQ peuvent être étudiées par la mesure de l'étouffement des jets. Les sections efficaces de production de jets chargés en collisions proton-proton (pp) aux énergies de 2.76 TeV et 7 TeV ont été mesurées par l'expérience ALICE puis comparées aux prédiction de la pCDQ à l'ordre dominant. En collisions Pb-Pb, l'intensité de la suppression des jets, inclusive et en fonction de la longueur de parcours dans le milieu, a été évaluée par la mesure des facteurs de modification nucléaire ($R_{mathrm{AA}}$) aux énergies de 2.76 TeV et 5.02 TeV. Le flot elliptique $v_{2}$, défini comme la distribution azitmutale par rapport au plan de réaction du deuxième ordre, qui est une grandeur sensible à la longueur de parcours des partons dans le milieu selon ou hors du plan de réaction, a été mesuré à l'énergie de 2.76 TeV. Cette mesure pour les collisions semi-centrales est en accord avec les prédictions théoriques. La réponse du milieu a été étudiée par l'intermédiaire des correlations jet-trace en fonction de la centralité de la collisionà l'énergie de 2.76 TeV. Les résultats obtenus suggérant une redistribution de l'énergie à grand angle par rapport à l'axe du jet. Ces résultats sont correctement décrits par des calculs phénoménologiques incluant l'évolution hydrodynamique du milieu. Dans cette thèse, deux aspects complémentaires de la mesure des jets à l'aide du détecteur ALICE ont été étudiés. D'une part, l'amélioration du système de déclenchement calorimétrique de l'expérience ALICE est présentée. Le Calorimètre Di-jet (DCal) a été installé pendant le premier arrêt long du LHC (LS1) afin d'étendre la couverture azimutale de l'existant Calorimètre ElectroMagnétique (EMCal) et Spectromètre à PHOtons (PHOS). Cette mise à jour a consisté à tenir compte de cette nouvelle configuration des détecteurs. Un nouveau micrologiciel de la carte électronique Summary Trigger Unit (STU) du sytème de déclenchement calorimétrique implementant un algorithme original combinant les informations des trois calorimètres a été développé. D'autre part, la mesure de la section efficace de production de jets chargés reconstruits avec différentes résolutions $R=0.2$, $0.3$, $0.4$ et $0.6$ en collisions pp à l'energie de 5.02 TeV est présentée. La comparaison de la section efficace mesurée avec les prédictions de la pCDQ à l'ordre sous-dominant (NLO) montre une bonne adéquation dans la région $10 < p_{mathrm{T},text{jet}}^{text{ch}} < 100 mathrm{GeV}/c$. La mesure du $v_{2}$ des jets chargés dans les collisions Pb-Pb semi-centrales (30-50%) à l'energie de 5.02 TeV est également exposée dans cette thèse. Les résultats obtenus ont été comparés à une simulation rapide basée sur le modèle de Glauber tenant compte de la dépendance de la suppression des jets selon leur longueur de parcours dans le milieu. Enfin, la mesure des corrélations entres jets chargés et hadrons dans les collisions Pb-Pb semi-centrales (30-50%) à l'energie de 5.02 TeV est présentée dans le but d'étudier la dépendance de la modification des jets en fonction de la géométrie de la collisions Pb-Pb.

  • Titre traduit

    Measurement of jet properties in pp and Pb-Pb collisions at 5.02 TeV with the ALICE experiment at the LHC


  • Résumé

    Jets, defined as collimated sprays of high-momentum particles, are experimental signatures of hard-scattered quarks and gluons produced in hadronic interactions. The jet production cross section is calculable within perturbative Quantum ChromoDynamics (pQCD), and therefore jet measurements provide stringent tests of pQCD predictions. In relativistic heavy-ion collisions, jets are well calibrated probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP). Under extreme conditions of temperature and/or pressure, partons are deconfined and form a strongly interacting QCD medium. The initial hard scattered partons lose energy while traversing this medium due to radiative and collisional energy loss. Consequently, jet properties get modified in comparison with the vacuum case, phenomenon named jet quenching. QGP transport properties can be studied by measuring jet quenching. The charged jet production cross sections in pp collisions at $sqrt{s} = 2.76 mathrm{TeV}$ and $sqrt{s} = 7 mathrm{TeV}$ were measured by the ALICE experiment and compared to Leading-Order (LO) pQCD predictions. In Pb-Pb collisions, the strength of jet suppression was quantitatively assessed at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$ and $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ via the measurement of the nuclear modification factors ($R_{mathrm{AA}}$). The strength of charged jet suppression was quantified as a function of in-medium parton path-length based on the measured $R_{mathrm{AA}}$. The jet elliptic flow $v_{2}$, defined as the jet azimuthal distribution relative to the $2^{nd}$ order event plane, which is sensitive to the difference of the in-medium parton path-length in-plane and out-of-plane, was measured at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$. The measured jet $v_{2}$ in mid-central Pb-Pb collisions was consistent with model predictions. The medium response has been studied through jet-track correlations at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$ as a function of centrality. The result suggested that the in-medium suppressed energy was re-distributed to large angles with respect to the jet axis. The phenomenon was described by a phenomenological calculation taking into account hydrodynamical evolution of the medium. In this thesis, two complementary aspects of jet measurements with the ALICE detector at the LHC were studied. First, the upgrade of the ALICE electromagnetic calorimeter trigger system is presented. The Di-jet Calorimeter (DCal) has been installed during LHC Long Shutdown 1 (LS1) to extend the azimuthal coverage of the existing ElectroMagnetic Calorimeter (EMCal) and PHOton Spectrometer (PHOS). The trigger system has been upgraded to account for this new detector configuration. The firmware for the Summary Trigger Unit (STU), which is the electronics of the trigger system, was upgraded to implement a brand new algorithm combining information from the calorimeters. Second, the measurement of the production cross section of charged jets reconstructed with cone resolution parameter $R=0.2$, $0.3$, $0.4$, and $0.6$ in pp collisions at $sqrt{s} = 5.02 mathrm{TeV}$ is outlined. A comparison of the production cross section to LO and Next-Leading-Order (NLO) pQCD predictions is shown. Good agreement of the production cross section with NLO pQCD calculations is found for $10 < p_{mathrm{T},text{jet}}^{text{ch}} < 100 mathrm{GeV}/c$. The measurement of charged jet $v_{2}$ in mid-central (30-50%) Pb-Pb collisions at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ is also presented. The results are compared with a toy-model Glauber simulation based on the measured path-length dependence of jet suppression. Finally, the measurement of charged jet-hadron correlations in mid-central (30-50%) Pb-Pb collisions at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ with respect to the $2^{nd}$ order event plane is also presented in order to study initial collision geometry dependence of jet modification in Pb-Pb collisions.