Rope Hadronization, Geometry and Particle Production in pp and pA Collisions

Abstract

This thesis concerns models of high energy collisions of sub-atomic particles, and the models’ implementation in numerical simulations; so–called Monte Carlo event generators. The models put forth in the thesis improves the description of soft collisions of protons, and takes the first steps towards a new, microscopic description of collectivity in proton collisions and collisions of heavy nuclei such as lead.
Paper I. The Lund string hadronization model is reviewed, and a model for corrections in busy environments, such as pp minimum bias, are introduced, and its implementation in the event generator DIPSY is described. The model affects the hadrochemistry of the underlying event, and improves description of existing pp data from LHC and RHIC.
Paper II. A series of new observables sensitive to effects from rope hadronization is introduced, and predictions of the rope hadronization model is compared to predictions from a similar model based on junction formation.
Paper III. The Glauber formalism for collisions of nuclei is reviewed, and contributions from diffraction are considered. The Glauber–Gribov formalism for colour fluctuations is compared to the DIPSY model. On the basis of this comparision, corrections to the Glauber–Gribov parametrization of the pp cross section are suggested.
This corrected formalism is then coupled to a particle production model, and preliminary descriptions of particle production in pA is given.
Paper IV. A model for string–shoving, expanding on the model from Paper I, is introduced at the proof–of–concept level. It is shown that the model qualitatively produces a rise of mean-p ⊥ with hadron mass and long range azimuthal correlations in pp collisions.

Abstract (Swedish)

Et af de mest interessante spørgsmål en fysiker kan forsøge at svare på er hvad består tingene af?. Et hus kan skilles ad i mursten, og murstenen kan også skilles ad i sine bestanddele.
Sådan kan man fortsætte indtil man bare har atomer tilbage. Atomerne kan skilles ad i
elektroner og en atomkerne der består af neutroner og protoner. Elektronen er, så vidt vi
ved, fundamental, og kan ikke skilles ad. Neutroner og protoner består af kvarker, holdt
sammen af den stærke kernekraft, der overføres ved at gluoner sendes mellem kvarkerne.
Den stærke kernekraft er både meget stærk og meget speciel. Hvis man havde en snor så stærk som den stærke kernekraft, den kunne holde en elefant oppe uden at knække. Den er speciel fordi kvarker og gluoner ikke opfører sig som andre partikler vi kender. Man kan for eksempel ikke fjerne en kvark eller en gluon fra protonen og inspicere den alene. Hiver man hårdt nok i protonen for at skille den ad, vil den skilles ad i flere protoner, og ikke flere kvarker. Her er billedet med elefanten i snoren godt som forklaring. Hvis vores elefant var for tung, og snoren knækkede, ville vi heller ikke stå med to snor-ender i hånden – vi ville slet og ret stå med to (mindre) snore.
Der findes en teori der beskriver den stærke kernekraft. Den hedder kvantekromodynamik, og med den i hånden kan man regne på hvad der sker når man støder atomkerner sammen med hastigheder tæt på lysets. Dette gør man blandt andet ved det store eksperiment LHC ved CERN i Frankrig og Schweiz, hvor både de mindste atomkerner stødes sammen – det er brintkerner, der bare består af en enkelt proton – såvel som bly, der består af 208 protoner og neutroner. Vi mener i dag at vide, at kvantekromodynamik er den korrekte teori for den stærke kernekraft. Vores metoder til at regne på teorien er udviklet gennem sidste halvdel af det 20. århundrede, men er stadig ikke så gode som vi kunne ønske os. Vi kan regne på teorien i flere forskellige tilnærmelser. Nogle tilnærmelser er effektive når man skal regne ud hvad protoner eller neutroners masse er, andre er effektive når man skal regne ud hvor sandsynligt det er at få en higgspartikel fra et sammenstød ved en bestemt energi.
I denne afhandling anvendes og udvikles der tilnærmelser der er effektive til at beskrive
sammenstød mellem protoner der involverer mange kvarker og gluoner. En ”beskrivelse” af sammenstødet betyder i denne sammenhæng at kunne regne ud hvilke partikler man efterfølgende kan se hvor i detektoren.
I denne afhandling benyttes især tilnærmelser baseret på den snor-analogi for protoner, der blev introduceret i eksemplet med elefanten. Det viser sig at man opnår en god beskrivelse af sammenstød med få kvarker og gluoner ved at regne på dem som om en snor forbinder alle kvarkerne og gluonerne i sammenstødet. I sammenstød med mange kvarker og gluoner vil snorene blive ”filtret sammen” og danne tykke reb. Det viser sig at have store konsekvenser for hvilke partikler man ser i detektoren. I sammenstød hvor der dannes tykke reb, får man for eksempel væsentligt flere partikler med kvarker af typen strange i sig.

Modellerne er ikke nogle man kan regne særligt langt på med papir og blyant. Efter modellerne er skrevet ned, er de implementeret i computerprogrammer der så bruges til at simulere sammenstød. Programmerne anvendt og udviklet i denne afhandling er udviklet i Lund og hedder DIPSY , ARIADNE , PYTHIA 8 og FritiofP8. Programmerne finder anvendelsefor fysikere verden over, der ønsker præcis viden om partikelsammenstød.

• author: Bierlich, Christian
• supervisor: Leif Lönnblad; Torbjörn Sjöstrand
• opponent: Professor Werner, Klaus, Université de Nantes, France
• organization: Theoretical Particle Physics - Has been reorganised
• publishing date: 2016-12
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: QCD, Phenomenology, Hadronization, Heavy ion collisions, Fysicumarkivet A:2016:Bierlich
• pages: 209 pages
• defense location: Lundmark lecture hall, Lund Observatory, Sölvegatan 27, Lund
• defense date: 2017-01-27 09:15:00
• ISBN: 978-91-7753-148-7
• ISBN: 978-91-7753-149-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 37441d98-3f67-4c68-b8f6-02fae54e66cf
• date added to LUP: 2016-12-20 11:43:33
• date last changed: 2018-11-21 21:28:23