Charmonium production as a function of charged-particle multiplicity in p-Pb collisions at √ˢNN = 8.16 TeV with ALICE at the LHC

par Theraa Tork

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Zaida Conesa del Valle et de Christophe Suire.

  • Titre traduit

    Production de charmonium en fonction de la multiplicité de particules chargées dans les collisions p-Pb à √ˢNN = 8.16 TeV dans ALICE au LHC


  • Résumé

    Dans la matière ordinaire, les quarks et les gluons ne peuvent être trouvés que dans un état confiné, appelés hadrons. Cependant, la chromodynamique quantique sur réseau prédit l’existence d’un état déconfiné de quarks et de gluons, le plasma de quarks et de gluons (QGP). Dans la nature, il est possible que le QGP ait pu exister pendant les premières microsecondes de l’univers, où des conditions extrêmes de haute densité d’énergie et de haute température auraient été présentes. De telles conditions peuvent être reproduites en laboratoire en faisant entrer en collision des ions lourds à des énergies suffisamment élevées. En raison de sa courte durée de vie, plusieurs observables indirectes sont utilisées pour caractériser le QGP. En plus des effets du QGP, les observables peuvent également être affectées par la présence des noyaux, appelés effets de matière nucléaire froide (CNM). Pour dissocier les effets du QGP des effets de CNM, des collisions proton-noyau, dans lesquelles on ne s’attend pas à former du QGP, sont utilisées comme système de contrôle. L’une des observables les plus intéressantes pour sonder le QGP est l’étude famille des quarkonia. Les quarkonia sont des états liés de paires de quarks-antiquarks lourds (c ̄c or bb̅). En raison de leur masse élevée, le mécanisme de production des quarks lourds se produit à des échelles de haute impulsion de la chromodynamique quantique (QCD), tandis que la formation des états liés implique des échelles plus basses impulsion de la QCD. Les quarkonia sont donc sensibles à la fois aux aspects perturbatifs et non-perturbatifs de la QCD. De plus, leur mesure dans les collisions p–Pb fournit des informations sur les effets de la matière nucléaire froide, tels que le shadowing nucléaire ou l’interaction avec les particules qui se déplacent avec elles. Des mesures récentes révèlent que les taux de production des J/Ψ augmentent avec la multiplicité des particules chargées dans les collisions pp et p-Pb au LHC. Différents mécanismes ont été proposés pour expliquer cette observation. L’un d’eux est l’influence des interactions à plusieurs partons dans l’état initial de la collision. Les mesures des états excités du charmonium, par exemple Ψ(2S), en fonction de la multiplicité des particules chargées, sont essentielles pour dissocier l’impact des éventuels effets de l’état final. Dans cette thèse, nous présentons la mesure des taux de production du charmonium en fonction de la multiplicité des particules chargées, mesurée à rapidité centrale (|η| < 1.0). Les J/Ψ et Ψ(2S) sont reconstruits dans leur canal de désintégrations en dimuons dans les régions de rapidité 2.03 < ycms < 3.53 et −4.46 < ycms < −2.96. Cette mesure est réalisée à l’aide de collisions p–Pb à √ˢNN = 8.16 TeV dans ALICE, expérience dédiée aux ions lourds au LHC du CERN. De plus, nous présentons des résultats préliminaires pour l’incertitude systématique de l’efficacité de la reconstruction des traces dans le spectromètre à muon d’ALICE. Cette partie a été réalisée en utilisant un jeu de données de collisions pp à ps = 13.6 TeV collecté en 2022.


  • Résumé

    In ordinary matter, quarks and gluons can only be found in a confined state, forming hadrons. However, lattice QCD predicts the existence of the quark-gluon plasma (QGP), a deconfined state of quarks and gluons, at extremely high energy density and temperature. In nature, QGP may have existed during the first microseconds of the universe, where such extreme conditions occurred. Such conditions are reproduced in the laboratory by colliding heavy ions at sufficiently high energy. Due to its short lifetime, the QGP can not be characterized by direct observations. The influence of its formation on particle production is used to characterize it. In heavy-ion collisions, besides QGP effects, the observables might also be affected by the presence of the nuclei, the so-called cold nuclear matter (CNM) effects. To disentangle the QGP effects from the CNM effects, proton-nucleus collisions are used as a control system in which QGP is not expected to be formed. One of the main tools used to probe QGP is quarkonia. Quarkonia are bound states of heavy quark-antiquark pairs (c ̄c or bb̅ pairs). Due to their large mass, heavy-quark production mechanism takes place at hard scales of QCD, while the formation of the bound states involves soft QCD scales. Quarkonia are, therefore, sensitive to both perturbative and non-perturbative aspects of QCD. In addition, their measurement in p–Pb collisions provides information on CNM effects, such as nuclear shadowing or the interaction with commoving articles. Recent measurements reveal that J/Ψ yields increase with charged-particle multiplicity in pp and p–Pb collisions at the LHC. Different mechanisms were proposed to explain this observation. One of them is the influence of multiple parton interactions in the initial state of the collision. Measurements of the excited charmonium states, e.g., Ψ(2S), as a function of charged- particle multiplicity, are essential to disentangle the impact of possible final-state effects. In this thesis, we present the measurement of charmonium yields as a function of charged-particle multiplicity, measured at central rapidity (|η| < 1.0). J/Ψ and Ψ(2S) are reconstructed in their dimuon decays within the rapidity region 2.03 < ycms < 3.53 and −4.46 < ycms < −2.96. This measurement is performed using in p–Pb collisions at √ˢNN = 8.16 TeV collected by ALICE at the LHC (CERN). In addition, we present preliminary results of the systematic uncertainty of the muon spectrometer tracking efficiency in Run 3. This study was performed using a data set of pp collisions at ps = 13.6 TeV.


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