Long-range angular correlations in soft and hard pPb collisions at a center-of-mass energy of 5.02 TeV measured with ALICE

Abstract

Previous studies of two-particle correlation in proton-lead (pPb) collisions at \sqrt{s} = 5.02 TeV revealed a so-called double ridge structure similar to the one observed in lead-lead (PbPb) collisions.
This structure features two distinct ridges extending over the entire \deta range (long-range correlations) at \Delta\phi \approx 0 (near-side) and \Delta\phi \approx \pi (away-side).
A model based on hydrodynamical expansion is capable of modeling this effect but requires that a spatially extended strongly-interacting medium is created. While such an assumption is reasonable for PbPb collisions, it is not justifiable in pPb collisions creating the need of an alternative description of the effect in the latter system.
The following thesis presents the aforementioned hydrodynamical model and two proposed alternatives: The Color Glass Condensate and Color Reconnection (CR).
A falsification of the models is undertaken by studying the dependence of the two-particle correlations on the hardness of the underlying events.
A multiplicity dependent bias towards di-jets in low multiplicity events was introduced by hardening the event sample, leaving the long-range near-side area of the double ridge for the extraction of an unbiased ridge yield.
No dependence of the ridge yield on the hardness of the event was found within the margin of uncertainty. This observation disfavors CR but detailed theoretical studies of CR in pPb and the study of a so-called soft event sample are needed to rule out this model conclusively.

Popular Abstract (Swedish)

Den rådande och även allmänt kända teorin för Universums uppkomst kallas Big Bang-teorin.
Big Bang tros ha inträffat för cirka 13,8 miljarder år sedan och beskriver en tid när vårt Universum befann sig i ett mycket varmt och energitätt tillstånd, som snabbt kyldes ner för att bilda de första lätta atomkärnorna bara några minuter in i sitt unga liv.
Även om det tog ytterligare 100 miljoner år för de första stjärnorna att bildas från orörda moln av helium och deuterium tror man att många av de mest intressanta och olösta frågorna i fysiken manifesterade sig i den allra första mikrosekunden:
Varför finns det så lite antimateria? Var kommer den mystiska mörka materien ifrån vilken gör att galaxer roterar snabbare än de borde?
Var de fyra krafterna som vi känner idag (gravitation, elektromagnetism, stark kraft och svag kraft) en gång i tiden förenade till en?

Om mänskligheten strävar efter att förstå vilken typ av värld vi lever i är det oundvikligt att studera denna mycket viktiga första mikrosekund.
Vid denna tidpunkt var temperaturen och partikeldensiteten så hög att inga kärnor ännu bildats.
Istället var all materia i ett tillstånd som kallas kvark-gluon-plasma (quark gluon plasma, QGP) där de grundläggande kvarkarna och gluonerna kunde existera som fria partiklar och inte begränsades till hadroner (uppsättningar av två eller tre kvarkar) som de är nästan överallt idag.
Ett sådant QGP kan återskapas och studeras genom att kollidera tunga atomkärnor (t.ex. bly) med den mest kraftfulla kolliderare som finns idag: the Large Hadron Collider (LHC).
Plasmat kommer endast att existera för ett mycket kort ögonblick innan det kyls ner så mycket att det upplöses i hadroner.
Innan det händer genomgår plasmat en dynamisk utveckling som påminner om en utsträckt vätskedroppe.
En kvarleva av denna utveckling kan ses genom att noggrant studera de hadroner som skapas under nedkylningen.
Det observerades att de producerade hadronernas densitet och genomsnittliga rörelsemängd förstärktes inom ett givet plan och undertrycktes vinkelrät mot detta.

Denna effekt förväntades i bly-bly kollisioner eftersom två stora kärnor antogs skapa ett jämförelsevis stort plasma.
Å andra sidan förväntades proton-bly kollisioner bara skapa mycket små plasmavolymer som borde ge litet eller inget kollektivt beteende.
Ändå uppvisade proton-bly kollisioner en liknande effekt som den i bly-bly kollisioner när de först analyserades i december 2012.
Sedan dess har stora ansträngningar gjorts för att förstå denna effekt och flera konkurrerande teorier har framkommit som måste verifieras eller falsifieras av experimentalfysiker.

Denna avhandling presenterar och studerar tre av dessa teorier och deras förväntade respons om man använder dem på en viss typ av kollision som kallas en hård process.
Sådana processer isolerades även i tillgängliga mätdata och jämfördes med teoretiska förutsägelser.


Analysen som presenteras här är baserad på två-partikel-korrelationer, vilket innebär att vinkelavstånden mellan uppsättningar av två partikelspår utvärderas.
Om ett stort antal kollisioner analyseras framträder ett mönster som visar den ovan beskrivna förhöjningen inom ett plan.

• author: Bourjau, Christian
• supervisor: Peter Christiansen
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• course: FYSM60 20141
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: quark gluon plasma, ALICE, double-ridge, QGP, LHC, p-Pb, di-hadron correlations
• language: English
• id: 4500099
• date added to LUP: 2014-07-23 12:34:21
• date last changed: 2014-11-04 19:41:12