Study of Ξ-Hadron Correlations in pp Collisions at √s = 13 TeV Using the ALICE Detector

Abstract

By colliding heavy nuclei at high energies, which is done at RHIC and the LHC, a strongly interacting Quark Gluon Plasma (QGP) is created. This manifests itself through several different signatures, which until recently was thought to uniquely probe the QGP. Recently, however, similar signatures have been observed also in small systems, such as pp collisions with high charged-particle multiplicity, which is quite puzzling since a QGP is not expected to be formed in such dilute systems with short lifetimes. One such observable is the enhanced relative yields of multistrange baryons, such as the Ξ baryon, which has been observed in e.g. Pb-Pb collisions. More recently, this yield enhancement has been observed to scale smoothly with multiplicity also in pp collisions.

The main analysis presented in this thesis aims at understanding the production mechanism of strange quarks in pp collisions at √s = 13 TeV, and in this way reach an explanation of the origin of the strangeness enhancement observed there. This is done by studying angular Ξ-h correlations, where h is either of π, K, p, Λ, or Ξ hadrons, by using data from the ALICE detector. The results are compared with four phenomenological models; three flavours of the QCD inspired PYTHIA8 which is based on colour strings, and the core-corona model EPOS LHC. The PYTHIA tunes are the Monash tune, the Junction Mode 0 tune, which has an additional mechanism for baryon formation, and a yet unofficial tune including rope hadronisation, which is a proposed mechanism for the observed strangeness enhancement. In EPOS, the enhanced strangeness is modelled by an increasing fraction of a core that behaves like a medium.

The results show that the Ξ-π correlation function is dominated by a narrow near-side peak. This is not present in any of the other correlations, which on the other hand have a wide extension in rapidity. This means that pions decouple later in the evolution from the Ξ baryon compared to the other species, likely within the jet, which was concluded to be due to charge balance, whereas the other correlations are attributed to strangeness and baryon decoupling. In all PYTHIA flavours, strong correlations within the jet are present for all combinations except Ξ-p correlations, meaning that strangeness and baryon number are produced earlier in the evolution in data than in PYTHIA. The junction model however gave a description of the Ξ-baryon correlation that was closer to data than the Monash tune, indicating that the additional baryon mechanism included there is more likely to be correct. For EPOS, on the other hand, the correlation function is very dilute for most species, which was concluded to be due to local conservation of quantum numbers not being properly accounted for. Therefore, it is not yet possible to use this measurement to test the underlying mechanism provided by this model. Based on this, the observations in data indicate that the strangeness production mechanism is likely either due to a core-corona like state, or some hybrid mechanism where string interactions are also important.

Correlations were also measured as a function of multiplicity, yielding very similar results across multiplicity classes. Therefore it was concluded that the strangeness and baryon production mechanisms in pp collisions are likely the same regardless of multiplicity.

Abstract (Swedish)

Att vatten övergår till ånga när man hettar upp det är ett välkänt fenomen, men även materia som bygger upp atomkärnor kommer att genomgå en fasövergång om den hettas upp tillräckligt mycket. Det som då bildas är ett kvark-gluonplasma (QGP), en exotisk form av materia där atomkärnans minsta beståndsdelar - kvarkar och gluoner - mer eller mindre rör sig fritt, vilket radikalt skiljer sig från vanlig materia. Dess egenskaper kan sammanfattas som ett mycket hett och tätt medium, som i det närmaste beter sig som en vätska. Detta tillstånd tros ha existerat under den första hundratusendelen av en sekund efter Big Bang, så genom att studera detta kan vi lära oss mer om hur universums byggstenar en gång bildades.

Genom att accelerera tunga joner, t.ex. blykärnor, till mycket höga energier och sedan kollidera dem, kan man skapa ett QGP i labbet. Detta görs bl.a. vid partikelfysiklaboratoriet CERN utanför Genève. Det QGP som då bildas existerar endast under ett extremt kort ögonblick, varefter det sönderfaller och en skur av partiklar bildas. Genom att studera dessa partiklar, kan vi lära oss om kvark-gluonplasmats egenskaper. Det har gjorts teoretiska förutsägelser om hur kvark-gluonplasmat förväntas påverka partiklarnas sammansättning och fördelning i rummet, vilka har visat sig stämma bra med det som observeras. På senare tid har det däremot gjorts en upptäckt som inte passar så bra in i bilden, då liknande effekter har observerats också i kollisioner mellan protoner, vilka är 200 gånger mindre än en blykärna. Enligt gällande modeller så borde inte ett QGP kunna bildas i så små kollisionssystem - det går helt enkelt för kort tid innan kollisionen är över. Som forskare vill vi förstås veta vad som egentligen händer i dessa kollisioner, vilket är syftet med den här avhandlingen. För att förstå vad jag har studerat, behöver man först förstå hur en atomkärna är uppbyggd.

En atomkärna består av protoner och neutroner, men dessa är inte elementarpartiklar, utan är i sin tur uppbyggda av kvarkar och gluoner. En proton består av tre kvarkar - två uppkvarkar och en nerkvark, vilka har olika laddning - som är sammanbundna av gluoner. En neutron består istället av en uppkvark och två nerkvarkar. Det finns också tyngre kvarkar, vilka inte är vanligt förekommande i universum då de snabbt sönderfaller till upp- eller nerkvarkar, men det hindrar inte dem från att bildas vid högenergetiska partikelkollisioner. Den lättaste (och därmed vanligaste) av dessa tyngre kvarkar är särkvarken, vilken är som en tyngre version av nerkvarken.

En förutsägelse av kvark-gluonplasmat är att fler särkvarkar bildas i detta medium än vid partikelkollisioner där inget QGP bildas. Och mycket riktigt bildas fler särkvarkar i bly-blykollisioner än vid proton-protonkollisioner, men det sker också en tydlig ökning från protonkollisioner där få partiklar har deltagit till dem där många partiklar har gjort det. Flera teoretiska modeller har utvecklats för att förklara detta, vilka kan delas in i två kategorier som sinsemellan är väldigt olika, så andra typer av mätningar måste göras för att testa vilken som stämmer bäst överens med verkligheten.

För att få en uppfattning om vad som händer i dessa kollisioner har jag studerat Ξ-baryonen (Xi), vilken består av två särkvarkar och en nerkvark. Denna rör sig några centimeter innan den sönderfaller i ett väldigt distinkt mönster, vilket relativt lätt kan detekteras i ALICE-detektorn, vars data har använts till den här studien. Genom att mäta avståndet i detektorn från Ξ-baryonen till andra partiklar som bildas i kollisionen (eller mer specifikt fördelningen av avståndet), och i synnerhet till sådana som innehåller särkvarkar, kan vi få en uppfattning om när och var särkvarken har bildats under kollisionen och på så sätt testa modellerna.

Två modeller har testats (plus ytterligare några variationer av den ena), en från vardera kategorin. Den ena modellen är en så kallad kärn-koronamodell, vilken förutsäger att ett QGP bildas även i protonkollisioner, men att den relativa volymen ökar när fler partiklar deltar. Den andra modellen är en så kallad strängmodell, där observationerna förklaras genom att det sker andra processer som liknar det man skulle förvänta sig från ett QGP, utan att ett sådant har bildats. Resultaten från studien visar att ingen av modellerna beskriver verkligheten särskilt väl. Särkvarkarna verkar bildas tidigare i kollisionen än vad som förutsägs av strängmodellen, vilket tyder på att den underläggande fysiken i den modellen kan vara fel, även om det fortfarande är för tidigt att säga. För kärn-koronamodellen är problemet ett annat, då den i nuläget saknar viktiga bevarandelagar och därför ger helt felaktiga förutsägelser. Så för att testa om den modellen i grunden stämmer, behövs mer jobb från utvecklarnas sida.

• author: Adolfsson, Jonatan
• supervisor: David Silvermyr; Peter Christiansen; Anders Oskarsson; Alice Ohlson
• opponent: Professor Xu, NU, Lawrence Berkeley National Laboratory, USA
• organization: Department of Physics
• publishing date: 2020
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: LHC, ALICE, quark gluon plasma, small systems, pp collisions, strangeness enhancement, correlations
• pages: 259 pages
• defense location: Rydbergssalen, Professorsgatan 1, Lund. Join via zoom: https://lu-se.zoom.us/j/68626552618?pwd=NUEzalJtdDJqcHB3L0U5Mk9QWXh1Zz09
• defense date: 2020-12-11 13:15:00
• ISBN: 978-91-7895-604-3
• ISBN: 978-91-7895-605-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2a33d918-9ddb-4f92-91cb-1bdea06e37a1
• date added to LUP: 2020-11-17 16:21:35
• date last changed: 2020-12-04 11:11:19