Studies of Possible QGP Estimators in proton-proton Collisions

Abstract

This thesis presents studies of three different Quark-Gluon Plasma estimators in proton-proton collisions using what is currently believed to be quark-gluon plasma observables; radial flow, elliptic flow and strangeness enhancement. The three tested estimators were Transverse Spherocity, an altered version of Transverse Spherocity where all p_T was put to one, and a newly developed estimator called Mid-Forward. The first part involved simulation studies where the estimators were tested using different settings within the Rope Hadronization framework in PYTHIA. The aim for this thesis was to find an estimator working for all three observables. However, this was not achieved as the results from the simulation study indicated that both spherocity estimators work well for the radial flow observable but not for elliptic flow, while the mid-forward estimator did not perform well for radial flow, it was the best candidate when measuring elliptic flow. Therefore the mid-forward estimator was selected for the data analysis of elliptic flow using two particle correlations. These results did not agree with what was observed in the results from the simulation studies, which could be due to low statistics in the data analysis.

Popular Abstract (Swedish)

Forskning inom partikelfysik grundar sig i att försöka förstå naturens lagar vilket har givit oss insikt i den fundamentala strukturen av materia. Man trodde länge att atomen var den minsta byggsten av materian runt omkring oss (där atom kommer från grekiskans átomos och betyder odelbar), men forskning visade att detta inte stämde. En förenklad modell är att atomen består av elektroner som kretsar runt en atomkärna, där kärnan kan delas upp i atomer och neutroner som i sin tur består av kvarkar och gluoner.

Vår nuvarande kunskap om den fundamentala strukturen av materia är samlad i den så kallade Standard Modellen av partikelfysik som ger en matematisk beskrivning av elementarpartiklar och deras växelverkan. Elementarpartiklarna som ingår i Standard Modellen delas in i två grupper; fermioner och bosoner, där fermioner är de partiklar som utgör all materia och bosoner är de kraft-förmedlande partiklarna som växelverkar mellan fermionerna. I Standard Modellen ingår även tre fundamentala krafter; den starka, den svaga och den elektromagnetiska kraften. Den starka kraften är, som kanske förstås av namnet, den starkaste av de tre krafterna och är den som håller ihop elementarpartiklarna och då bildar större partiklar som kallas hadroner. Exempel på hadroner är protonen och neutronen.

Bosonen som förmedlar den starka kraften kallas gluon och har, till skillnad från fotonen som är den kraft-förmedlande bosonen för den elektromagnetiska kraften, inte bara en elektrisk laddning utan även färgladdning. Även kvarkar har färgladdning. Gluonens färgladdning medför att gluonen kan växelverka med sig själv som i sin tur ger upphov till att kvarkar inte kan existera fritt utan att de alltid är sammansatta i färg-neutrala hadroner.

Det har dock länge funnits teorier om att vid extremt höga temperaturer och/eller partikel densiteter så “smälter” hadronerna till ett tillstånd där kvarkar och gluoner är nästan fria. Detta tillstånd kallas Kvark-Gluon Plasma, och man tror att denna plasma existerade under de första micro-sekunderna efter Big-Bang när Universum var extremt varmt och hade hög täthet. Man tror även att plasman idag existerar i kärnan av neutronstjärnor på grund av den höga densiteten där.

Idag kan de höga temperatur - och densitet - tillstånden som krävs för att skapa plasman uppnås i laboratoriemiljö med hjälp av partikelacceleratorer där man kan kollidera tunga joner i höga energier. Ett exempel på ett sådant experiment är ALICE experimentet som är ett av fyra experiment vid LHC (Large Hadron Collider) på CERN i Genève. Där har man lyckats att komma upp i en temperatur på ca 740 MeV vilket motsvarar 1.5 miljarder gånger varmare än solens yta.

Plasman som skapas i laboratoriemiljö har en livstid på endast $10^{-22}$ sekunder innan kvarkarna och gluonerna förenas och bildar hadroner igen. Denna korta livstid gör det omöjligt att direkt studera plasman och man får därför studera olika karaktäristiska signaturer av de partiklar (hadroner) som man kan detektera. Man har länge trott att plasman endast kan skapas vi energi-densiteten som uppnås vid tung-jons kollisioner, dvs kollisioner mellan t.ex. bly eller guld joner, men detta har man nyligen börjat ifrågasätta då man observerat kvark-gluon plasma signaturer vid kollisioner mellan proton och bly, och proton-proton.
För att undersöka detta behövs inte bara mer data (mer statistik) utan även nya typer av mätningar som är känsligare för den underliggande fysiken. Ett exempel på en sådan mätning som används nu är Transverse Spherocity. Den delar upp proton-proton kollisioner i olika kategorier beroende på kollisions formen i det transversa planet. Det har dock nyligen visat sig att Transverse Spherocity fungerar bra för några plasma signaturer så som radial flow, men att den kanske inte alls fungerar för andra signaturer så som elliptic flow. Mål för denna uppsatsen är därför att komma på och testa alternativa mätningsmetoder för kvark-gluon plasman.

Det första steget var att testa och utveckla de nya ideerna på simulerad data med olika modeller för att utifrån det välja ut några signaturer och metoder och testa dem på data från ALICE för att se hur metoderna fungerar för de olika signaturerna. Om någon utav metoderna skulle fungera för de olika plasma signaturerna så hade det kunnat leda till en bättre förståelse av de kollektiva effekter som man har observerat i de mindre kollisions systemen. Om det även visar sig att dessa effekter beror på ett medium som expanderar har skapats i de små systemen (så som i de större tung-jons systemen) så kan detta innebära att de större systemen kan tolkas som en förlängning av de små systemen. Dessa slutsatser hade varit banbrytande och betytt att man hade fått tänka om när det kommer till vår kunskap om den starka kraften och tung-jons fysiken.

• author: Önnerstad, Anna
• supervisor: Peter Christiansen
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• alternative title: Studier av Möjliga Mätmetoder av Kvark-Gluon Plasma i proton-proton Kollisioner
• course: FYSM60 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 8994339
• date added to LUP: 2019-09-13 16:55:29
• date last changed: 2019-09-13 16:55:29