Dielectron production in proton–lead collisions at √sNN= 5.02 TeV with ALICE at the LHC

Abstract

Die am Large Hadron Collider (LHC) durchgeführten ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen können so hohe Temperaturen erreichen, dass ein neuer Materiezustand beobachtet werden kann - das Quark-Gluon Plasma (QGP). Dieser stark wechselwirkende Zustand herrschte im frühen Universums für einige (wenige) Mikrosekunden nach dem Urknall vor. In diesem Zusammenhang spielt das Verständnis der Eigenschaften des QGPs eine Schlüsselrolle in der Vertiefung unseres Wissens über dessen spätere Entwicklung. Um die Eigenschaften des QGP oder heißer Kernmaterie generell zu erforschen, sind jedoch Referenzmessungen in kleinen Kollisionssystemen erforderlich, um die Teilchenproduktion und deren Eigenschaften im Vakuum oder in Gegenwart kalter Kernmaterie zu bestimmen. Am LHC werden hierzu üblicherweise Proton-Proton- (pp) oder Proton-Blei- (p–Pb) Kollisionen herangezogen. In den letzten Jahren wurden jedoch bestimmte Merkmale in diesen Kollisionen beobachtet, die ursprünglich dem QGP zugeschrieben wurden und unser Verständnis von Schwerionenkollisionen zum Teil in Frage stellen. Vertiefende Studien sind daher erforderlich, um die Datenlage zu klären. Dielektronen, d.h. korrelierte Elektron-Positron-Paare, stellen in dieser Hinsicht ein ausgezeichnetes Werkzeug dar, da sie keine Farbladung besitzen und nicht mit dem QGP wechselwirken. Weil Dielektronen den Kollisionsbereich deshalb im Wesentlichen unverändert verlassen, stellt die Messung ihrer Produktionsrate eine Methode dar, um die Eigenschaften des gesamten Systems unmittelbar zu untersuchen. Darüber hinaus enthält das invariante Massenspektrum der Dielektronen viele verschiedene Quellen, die zu unterschiedlichen Zeiten im Kollisionsprozess erzeugt werden. Eine Messung dieser diversen Quellen erlaubt daher die Messung des zeitlichen Verlaufs des Kollisionssystems. Diese Arbeit präsentiert die erste Analyse von Dielektronen bei niedriger invarianter Masse in p–Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5.02 TeV gemessen mit dem ALICE Detektor. Elektronen und Positronen werden in Pseudorapidität und Transversalimpuls selektiert und die Ergebnisse werden für die invariante Masse und den Paartransversalimpuls gezeigt. Das gemessene Dielektronen-Spektrum wird mit einem sogenannten Cocktail aller bekannten hadronischen Dielektronen-Quellen verglichen. Dieser Cocktail wird aus gemessenen Wirkungsquerschnitten der Teilchen in anderen Zerfallskanälen konstruiert, wobei die Beiträge semileptonischer Zerfälle von Hadronen mit schweren Quarks (Charm und Beauty) anhand der Ereignisgeneratoren POWHEG und PYTHIA 6.4 berechnet werden. Die simulierte Produktionsrate dieser semileptonischen Zerfälle wird auf den im Dielektronenkanal gemessenen Wirkungsquerschnitt in pp Kollisionen bei gleicher Schwerpunktsenergie sowie auf die Atommassenzahl (A) des Bleikerns (A = 208) skaliert.Die Daten stimmen mit dem hadronischen Cocktail innerhalb der Unsicherheiten dieses Modells überein. Die Daten werden ebenfalls mit zwei zusätzlichen Modellen verglichen. Ersteres enthält thermisch erzeugte Dielektronen, die das Vorhandensein eines heißen Mediums anzeigen. In zweiterem wird die Charm-Produktionsrate aufgrund der Gegenwart des Bleikerns unterdrückt (einer der Effekte von kalter Kernmaterie). Keines der beiden Modelle kann angesichts der aktuell zu großen Ungenauigkeiten ausgeschlossen werden. Da Dielektronen-Messungen bei derselben Schwerpunktsenergie verfügbar sind, wird der nukleare Modifikationsfaktor als Funktion von invarianter Masse und den Paartransversalimpuls analysiert. Im gesamten untersuchten Bereich stimmen die Daten innerhalb der Modellunsicherheiten mit dem hadronischen Cocktail sowie mit den beiden zusätzlichen Modellen überein.

Ultrarelativistic heavy-ion collisions performed at the Large Hadron Collider (LHC) are thought to reach such high temperatures that a new state of matter known as a quark--gluon plasma (QGP) is created. This state of strongly interacting matter is predicted to have dominated the early Universe a few microseconds after the Big Bang and understanding its properties is crucial for understanding its subsequent evolution. However, in order to understand heavy-ion collisions reference measurements in so-called small systems, at the LHC typically proton-proton (pp) and proton-lead (p-Pb) collisions, are required. Measurements in pp collisions represent the so-called baseline or vacuum measurements where the particle production rates in a vacuum can be determined. Whereas measurements in p-Pb collisions act as an intermediary which are used to determine any modifications to the particle production rates that arise from cold nuclear matter (CNM) effects, in contrast to hot matter effects originating from the QGP. In recent years, signatures that were originally attributed to the QGP have been observed in small system collisions, further complicating the current picture of heavy-ion collisions. Deeper studies into these small systems are now required to clear up the situation.An excellent probe for this task are pairs of particles produced in these collisions called dielectrons which constitute a correlated electron/positron pair. As electrons and positrons are leptons, they lack any colour charge and therefore do not interact with the QGP. As they are able to leave the collision area essentially unaffected, measuring their production rates can provide a direct method to measure the properties of the system itself. Furthermore, as the dielectron invariant mass spectrum contains many differing sources of dielectron pairs which are produced at differing times of the collision process, measuring the different sources provides us with an overview of the evolution of the system from the initial collision to the final stage where the produced particles freely fly away from the collision point.This thesis presents the first analysis of low-mass dielectrons in p-Pb collisions at a centre-of-mass energy 5.02 TeV measured at midrapidity with the ALICE detector. The measured dielectron spectrum is compared to a hadronic cocktail of known dielectron sources. The cocktail is constructed from measured cross sections of the constituent decays in other channels with the contributions from open-heavy flavour semi-leptonic decays calculated with two event generators: POWHEG and PYTHIA 6.4. The simulated heavy-flavour templates are scaled to the cross sections measured in the dielectron channel in pp collisions at the same centre-of-mass energy and scaled by the atomic mass number (A) of the Pb ion (A = 208). The data are in good agreement with the hadronic cocktail within uncertainties. The data are also compared to two additional models which incorporate thermally produced dielectrons which would indicate the presence of a hot medium, or a potential suppression of the charm production rate due to the presence of the Pb ion (a potential CNM effect). Neither model can be ruled out given the current precision. As dielectron measurements were available at the same centre-of-mass energy, the nuclear modification factor was also analysed as a function of invariant mass and pair transverse momentum. Over the entire investigated range the data are in agreement with the hadronic cocktail within the uncertainties, as well as with the two additional models.