Measurement of isolated photons in pp collisions at √s = 7 TeV with ALICE

  • Particle collisions provide insight into the structure of matter and the interaction of its constituents. Furthermore, they also allow a better understanding of the processes involved in the formation of the universe. To cover these diverse areas, it is necessary to study different observables and collision systems. A particular challenge is to find a suitable measurable observable for a theoretically meaningful variable and to develop a measurement process taking into account the experiment. The analyses of particle collisions in this thesis cover many of the challenges and objectives mentioned above. The focus of the work is the analysis of isolated photons at an energy of √s = 7 TeV. In addition, the work also includes measurements of the average transverse momentum in Pb-Pb collisions at an energy of √s = 2.76 TeV. Apart from the collision system, the two analyses complement each other in other respects. The measurement of isolated photons represents the first measurement of this observable with ALICE and thus lays the foundation for further measurements at other collision systems and energies. The measurement of the mean transverse momentum, on the other hand, is based on an established measurement and thus allows the comparison of different collision systems. Likewise, the physical processes studied differ. With the measurement of isolated photons, hard scattering processes in the collisions can be investigated, while the average transverse momentum allows a description of the underlying event. When measuring isolated photons, it should be noted that isolated photons are a measurable observable that cannot be assigned to an explicit physical process. The isolation criterion used in the analysis serves to increase the fraction of prompt photons from 2→2 processes. These photons can contribute to a better understanding of the parton density function (PDF) of gluons, as well as be used as a reference for perturbative QCD calculations. Of particular importance for the analysis are the cluster shape and the energy within a certain radius around the potential photon. The combination of these two quantities allows determining the background using the ABCD method established by CDF and ATLAS. The result obtained in this way extends the previous measurements of the cross-section of isolated photons at the LHC to lower transverse momenta. Similarly, the previous measurements of the cross-section as a function of the scale variable xT are extended to lower values. The main focus of the measurement of the average transverse momentum of charged particles ⟨pT⟩ is to compare the measurement for the pp, p-Pb, and Pb-Pb collision systems. To obtain a direct comparison between the different collision systems, ⟨pT ⟩ is measured against the true multiplicity nch. Since the multiplicity range of pp and p-Pb collisions is limited, the analysis in Pb-Pb collisions is restricted to nch = 100. This range corresponds to peripheral Pb-Pb collisions. A particular focus of the analysis is the determination and reduction of the electromagnetic background in peripheral Pb-Pb collisions and the determination of nch based on the measured multiplicity nacc . The different collision systems show similar behavior with increasing multiplicity. The steepest increase occurs at low multiplicities and changes for all collision systems at nch = 14. With higher multiplicities, the slope reduces further, with the effect being most pronounced in Pb-Pb collisions.
  • Teilchenkollisionen erlauben einen Einblick in den Aufbau der Materie und in die Interaktion ihrer Konstituenten. Darüber hinaus ermöglichen sie, auch die Vorgänge bei der Entstehung des Universums besser zu verstehen. Um diese vielfältigen Wissensgebiete abzudecken, ist es nötig, verschiedene Observablen und Kollisionssysteme zu untersuchen. Dabei besteht eine besondere Herausforderung darin, für eine theoretisch aussagekräftige Variable eine passende messbare Observable zu finden und unter Berücksichtigung des Experiments einen Messprozess zu entwickeln. Die im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Analysen von Teilchenkollisionen decken viele der genannten Herausforderungen und Zielsetzungen ab. Den Schwerpunkt der Arbeit stellt die Analyse isolierter Photonen bei einer Energie von √s = 7 TeV da. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit auch noch Messungen des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen in Pb–Pb Kollisionen bei einer Energie von √s = 2.76 TeV. Abgesehen vom Kollisionssystem komplementieren sich die beiden Analysen in weiteren Punkten. Die Messung isolierter Photonen stellt die erstmalige Messung dieser Observable mit ALICE da und legt somit die Grundlage für weitere Messungen bei anderen Kollisionssystemen und -energien. Die Messung des mittleren Transversalimpulses beruht dagegen auf einer etablierten Messung und ermöglich somit den Vergleich verschiedener Kollisionssysteme. Ebenso unterscheiden sich die untersuchten physikalischen Prozesse. Mit der Messung isolierter Photonen lassen sich harte Streuprozesse in den Kollisionen untersuchen, während der mittlere Transversalimpuls eine Beschreibung der zugrunde liegenden Kollision ermöglicht. Bei der Messung isolierter Photonen ist zu beachten, dass es sich bei isolierten Photonen um eine messbare Observable handelt, die keinem expliziten physikalischen Prozess zugeordnet werden kann. Das im Rahmen der Analyse verwendete Isolationskriterium dient dazu den Anteil prompter Photonen aus 2→2 Prozessen zu erhöhen. Diese Photonen können zum besseren Verständnis der Partondichtefunktion (PDF) von Gluonen beitragen, wie auch als Referenz für störungstheoretische QCD Rechnungen genutzt werden. Für die Analyse von besonderer Bedeutung ist dabei die Clusterform und die Energie in einem gewissen Radius um das potenzielle Photon. Die Kombination der beiden Messgrößen erlaubt es den Untergrund mithilfe der von CDF und ATLAS etablierten ABCD Methode zu bestimmen. Das auf diese Weise gewonnene Ergebnis erweitert die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts isolierter Photonen am LHC zu niedrigeren Transversalimpulsen. Ebenso werden die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts in Abhängigkeit der Skalenvariable xT zu niedrigeren Werten erweitert. Das Hauptaugenmerk der Messung des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen ⟨pT⟩ liegt im Vergleich der Messung für die Kollisionssyteme pp, p-Pb, und Pb-Pb. Um einen direkten Vergleich zwischen den unterschiedlichen Kollisionssystemen zu erhalten, wird ⟨pT ⟩ gegen die wahre Multiplizität nch gemessen. Da der Multiplizitätsbereich von pp und p-Pb Kollisionen limitiert ist, wird die Analyse in Pb–Pb Kollisionen auf nch = 100 begrenzt. Dieser Bereich entspricht peripheren Pb–Pb Kollisionen. Ein besonderer Fokus der Analyse liegt auf der Bestimmung und Reduktion des elektromagnetischen Hintergrundes in peripheren Pb–Pb Kollisionen und der Bestimmung von nch auf Basis der gemessenen Multiplizität nacc . Die unterschiedlichen Kollisionssysteme zeigen ein ähnliches Verhalten mit steigender Multiplizität. Der steilste Anstieg findet bei niedrigen Multiplizitäten statt und ändert sich für alle Kollisionssysteme bei nch = 14. Mit höheren Multiplizitäten reduziert sich die Steigung weiter, wobei der Effekt bei Pb–Pb Kollisionen am stärksten ausgeprägt ist.

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Metadaten
Author:Marco MarquardGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-644157
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.64415
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Henner BüschingGND, Harald AppelshäuserORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/11/05
Year of first Publication:2021
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2021/10/28
Release Date:2021/11/19
Tag:Hochenergiephysik
high-energy physics
Page Number:132
HeBIS-PPN:487856538
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht