Dielectron production and a search for highly-charged particles in Pb-Pb collisions

Abstract

Relativistische Schwerionen-Kollisionen erlauben es Materie und fundamentale Kräfte unter den extremsten Temperaturen, Dichten und elektromagnetischen Feldern, die in Laboratorien erreichbar sind, zu untersuchen. Analysen dieser Kollisionen geben einzigartige Einblicke in die Entstehung von Materie und in das Quark-Gluon Plasma (QGP), einen exotischen Materiezustand, von dem angenommen wird, dass er 10 Dielektronanalysen liefern experimentelle Daten zu thermischer Strahlung des QGPs, der partonischen Struktur von Nukleonen im Atomkern, chiraler Symmetriebrechung und der Produktion von Materie durch elektromagnetische Felder. Die größte Herausforderung in der Analyse von Dielektronen ist der überwältigend große Hintergrund von Photon-Konversions Prozessen im Detektormaterial in der Nähe des Kollisionspunktes. Teilchenspuren dieser Konversionen führen zu kombinatorischem Hintergrund im gesamten Dielektronen Massenspektrum, welcher das Signal der direkt in der Kollision erzeugten Dielektronen um bis zu drei Größenordnungen übertrifft. Zahlreiche Observablen von Teilchenspuren erlauben es, auf den Konversionsursprung eines Teilchens rückzuschließen. Dieser Umstand motiviert eine multivariate Klassifikation von Konversions-Teilchenspuren mit maschinellem Lernen. Die Anwendung dieser Methode vergrößert die statistische Signifikanz des gemessenen Signals im Vergleich zu konventioneller, Schnitt-basierter Hintergrundreduktion. In der vorliegenden Analyse wird Dielektronen-Produktion differenziell im transversalen Paar-Impuls untersucht. Dies ist motiviert durch einen kürzlich gefundenen Dieletronenüberschuss in Au-Au Kollisionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Die vorherrschende Erklärung dafür ist Dielektronen Photoproduktion, ein Prozess in dem Dielektronen durch das elektromagnetische Feld der Kollision erzeugt werden. Die spärlich vorhandenen experimentellen Daten sind jedoch nicht vollständig mit entsprechenden Modellberechnungen kompatibel. Es wird vorhergesagt, dass dieses Phänomen auch in Pb-Pb Kollisionen mit dem ALICE Detektor am Large Hadron Collider beobachtbar ist. In dieser Arbeit werden die entsprechenden Dielektron Spektren extrahiert. Ein Überschuss im Vergleich zu den erwarteten hadronischen Quellen wird gefunden. Er stimmt weitgehend, aber nicht vollständig, mit den Erwartungen für Photoproduktion überein. Diskrepanzen zwischen den Daten und den Modellen für Dielektronen-Photoproduktion am RHIC führten zu Spekulationen über soweit noch nicht berücksichtigte zusätzliche Effekte. Diese hängen mit Streuung von Leptonen im QGP, Ablenkung durch das äußerst starke Magnetfeld oder der Ausdehnung der Atomkerne zusammen. Jedes dieser Szenarien postuliert eine Abhängigkeit der Dielektron-Photoproduktion von der Richtung relativ zur Reaktionsebene der Kollision. In dieser Arbeit werden erste vorläufige Resultate einer entsprechenden Analyse präsentiert. Ein weiteres Projekt in dieser Arbeit befasst sich mit der Suche nach magnetischen Monopolen. Die Abwesenheit solcher Teilchen stellt eher einen empirischen Befund als eine Notwendigkeit der derzeit bekannten physikalischen Gesetze dar. Zudem lieferte Dirac eine ansprechende theoretische Motivation für deren Existenz. Er zeigte, dass sie einen weiteren, theoretisch unverstandenen Umstand, nämlich die Quantisierung elektrischer Ladungen, erklären würden. Suchen nach Monopolen blieben bislang erfolglos. In der Vergangenheit war es nicht möglich, von diesen Suchen allgemein gültige untere Schranken für die Masse magnetischer Monopole abzuleiten. In Suchen nach Monopolproduktion in Teilchenkollisionen ist es notwendig, die zu erwartende Produktionsrate zu berechnen, um Schranken auf die Masse setzen zu können. Dies ist momentan nicht möglich, da störungstheoretische Berechnungsmethoden nicht auf dieses Problem anwendbar sind. Wie kürzlich vorgeschlagen wurde, kann diese Problematik im Prinzip umgangen werden, wenn man Monopolproduktion in starken magnetischen Feldern betrachtet. Da die Magnetfelder in Schwerionen-Kollisionen für die stärksten im heutigen Universum gehalten werden, gelten sie als ideale Gelegenheit für Suchen nach Monopolen. Zusätzlich wäre es prinzipiell noch möglich, von diesen Suchen allgemein gültige Massenschranken abzuleiten. Eine entsprechende Monopol-Suchstrategie in Schwerionen-Kollisionen mit ALICE wird in der vorliegenden Arbeit entwickelt. Aufgrund der zu erwartenden exotischen Eigenschaften der Monopole ist es schwierig, das Ziel der Suche in den Detektordaten festzulegen. Es stellt sich heraus, dass Kernfragmente, die im Detektor stoppen, ein ähnliches Signal verursachen sollten. Sie können daher bei der Definition der Suchkriterien Daten-basierte Aufschlüsse liefern. Die erfolgreiche Identifikation solcher Teilchenspuren in den Detektordaten demonstriert die Machbarkeit der vorgesehenen Suche nach Monopolen.

Relativistic heavy-ion collisions offer a way to study matter and fundamental forces under the most extreme temperatures, densities, and electromagnetic fields accessible in laboratories. Analyses of these collisions provide unique insights into the physics governing the creation of matter and the Quark Gluon Plasma (QGP), an exotic state of matter expected to have been prevalent in the Universe at 10 The main challenge in the analysis of dielectron production is the overwhelming background originating from photon-conversion processes in the detector material close to the interaction vertex. Tracks from these conversions lead to combinatorial background in the whole dielectron mass spectrum which exceeds the signal of dielectrons produced directly in the collision by up to three orders of magnitude. Numerous track observables can be used to infer the conversion origin of a track. This motivates a multivariate classification of conversion tracks using machine learning. Applying this method enhances the statistical significance of the measured dielectron signal in comparison to conventional cut-based background rejection. In the presented analysis dielectron production is studied differentially in the pair transverse momentum. This is motivated by the recently reported dielectron excess in Au--Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). The prevalent explanation in theoretical studies is dielectron photo-production, a process in which a dielectron is produced from the electromagnetic field in the collision. However, the scarce experimental data related to this phenomenon is not completely in line with corresponding model calculations. It is predicted that this phenomenon is observable in Pb--Pb collisions with the ALICE detector at the Large Hadron Collider. In this work the corresponding dielectron spectra are extracted. An excess with respect to the expected hadronic sources is found. It agrees to a large extent, but not entirely, with expectations for photo-production. Discrepancies between data and models for dielectron photo-production at the RHIC led to speculations about so far not considered additional effects. These are related to rescattering of leptons in the QGP, deflections due to the extremely strong magnetic field, or effects of the finite nucleus size. All of these scenarios posit a dependence of dielectron photo-production on the direction relative to the reaction plane of the collision. In this thesis first preliminary results of a corresponding analysis are presented. A further project in this thesis deals with the search for magnetic monopoles. The absence of these particles represents rather an empirical finding than a necessity of the presently known laws of physics. In addition, Dirac provided appealing theoretical motivation for their existence. He showed that they would lead to understanding of another, theoretically unanticipated, empirical finding, namely that electric charges are quantised. Searches for monopoles were unsuccessful so far. Deriving robust lower limits for the magnetic monopole mass from these searches was not possible in the past. In searches for monopole production at colliders, setting mass limit requires the calculation of the expected monopole production rates. This is currently not possible as perturbative methods cannot be applied to this problem. It was recently found that this issue can in principle be circumvented by considering monopole production in strong magnetic fields. Since heavy-ion collisions are widely believed to produce the strongest magnetic field in the present Universe, they were proposed as a promising opportunity for searches, which could be interpreted in terms of rigorous mass limits. A corresponding strategy for a monopole search in heavy-ion collisions with ALICE is developed. Due to the expected exotic properties of monopoles, a key problem is to define the search target in the detector data. It is found that nuclear fragments which stop in the detector should yield a comparable detector response. They can therefore provide data-driven guidance for the definition of search criteria. The successful identification of corresponding particle tracks in detector data demonstrates the feasibility of the foreseen monopole search.