Measurement of J/[psi] polarization with the CMS experiment in proton-proton collisions at [square root]s =7 TeV

Abstract

Im März 2010 hat mit den ersten Proton-Proton Kollisionen am LHC (Large Hadron Collider) im Forschungszentrum CERN (Genf) eine neue Ära in der Hochenergiephysik begonnen. Neben der Suche nach direkten Hinweisen für eine notwendige Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik werden Präzisionsmessungen der Parameter des Standardmodells durchgeführt. Der LHC bietet aufgrund der noch nie da gewesenen Schwerpunktsenergie der Kollisionen sowie der hohen Kollisionsrate exzellente Bedingungen, um die Produktion von Vektor Quarkonia, die in zwei Muonen zerfallen, am CMS (Compact Muon Solenoid) Experiment zu messen.<br />Quarkonia sind gebundene Zustände eines schweren Quarks (charm, beauty) und des zugehörigen Antiquarks. Die elementaren Produktionsmechanismen von Quarkonia können noch nicht zufriedenstellend erklärt werden, da die vorhandenen theoretischen Modelle im Versuch, bisherige Resultate in hadronischen Kollisionen von differentiellem Wirkungsquerschnitt und Polarisationseigenschaften von Quarkonia gleichzeitig zu beschreiben, keinen Erfolg aufgewiesen haben.<br />Nach einer Einführung der Eigenschaften des LHC und des CMS Detektors behandelt diese Arbeit die wichtigsten Modelle, welche die Produktion von Quarkonia charakterisieren, und einen neu entwickelten Formalismus zur Beschreibung der Polarisationseigenschaften von Quarkonia.<br />Dieser neue Formalismus wird in der vorliegenden Arbeit dazu genutzt, publizierte uneindeutige Resultate einer Polarisationsmessung auf verschiedene Weisen zu interpretieren, was zu Vorhersagen für eine Messung der Polarisationseigenschaften des J/[psi] am CMS führt. Dies ermöglicht eine Unterscheidung dieser Szenarien.<br />Diese Arbeit beschreibt die Strategie der ersten vollständigen Messung der Polarisation des J/[psi] Mesons in Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV, differentiell in Rapidität und Transversalimpuls des J/[psi], basierend auf Daten gemessen am CMS Detektor. Für prompt produzierte J/[psi]'s und jene, die vom Zerfall von b Hadronen stammen, wird die Polarisation separat aus den Daten extrahiert.<br />Das Ziel dieser Messung ist die Untersuchung von Eigenschaften der QCD, die in bestimmten kinematischen Regionen der Produktion von Quarkonia durch die Polarisation des J/[psi] in Erscheinung treten. Eine bessere Kenntnis der Produktionsmechanismen von Quarkonia führt zu einem besseren Verständnis hadronischer Produktionsmechanismen im Allgemeinen.<br />

In march 2010, with the first proton-proton collisions at the LHC (Large Hadron Collider) at CERN (Geneva), a new era in high energy physics has been initiated. Besides searches for physics beyond the standard model, the LHC provides excellent conditions to study vector quarkonium production at the CMS (Compact Muon Solenoid) detector in the dimuon decay channel.<br />Quarkonia are bound states of a heavy quark (charm, beauty) and it's respective antiquark. The underlying elementary quarkonium production mechanisms are not yet satisfactorily understood, as several models have had no success in describing previous high energy hadronic collision results of differential cross sections and polarization properties of quarkonia simultaneously.<br />After an introduction to the LHC and the CMS detector, this thesis presents a review of the most favored models describing quarkonium production and a new formalism, describing the polarization properties of vector quarkonia, that was developed in recent years.<br />Benefitting from the findings of this new formalism, this thesis reports several interpretations of a published ambiguous J/[psi] polarization measurement in terms of frame-invariant parameters, which leads to predictions for a polarization measurement at CMS. These predictions allow a CMS measurement to discriminate between these possible polarization scenarios.<br />This thesis reports the analysis strategy for the first unambiguous determination of the J/[psi] polarization properties in proton-proton collisions at a center of mass energy of 7 TeV, measuring differential in transverse momentum and rapidity of the J/[psi], based on a data set collected by CMS. Results are obtained individually for prompt J/[psi] contributions and J/[psi]'s originating from the decay of b hadrons.<br />The aim of this measurement is to probe properties of QCD, that are expected to appear in certain kinematic regions of quarkonium production, indicated by the polarization properties of the J/[psi]. A better understanding of quarkonium production can help increasing the knowledge of hadroproduction in general.<br />