Measurement of Quarkonium polarization to probe QCD at the LHC

Abstract

Die ersten Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) am CERN leiteten eine neue Ära in der Hochenergiephysik ein. Die von den Experimenten aufgezeichneten Daten eröffnen die Möglichkeit, Prozesse des Standardmodells in neu zugänglichen Phasenräumen mit hoher Präzision zu messen. Der LHC bietet beste Bedingungen für die Erforschung der Produktion von Quarkonia - gebundene Zustände eines schweren Quarks und dessen Anti-Quark - dank der hohen Produktionsraten aufgrund der hohen Schwerpunktsenergie und Kollisionsrate. Die Klärung der Produktionsmechanismen von Quarkonia ist Voraussetzung für das Verständnis der Bildung von Hadronen im Allgemeinen. Bis vor kurzem haben die großen experimentellen und theoretischen Bemühungen nicht zu einem zufriedenstellenden Gesamtbild der Produktionsquerschnitte und der Polarisation von Quarkonia geführt. Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor ist bestens dafür geeignet, die Produktion von Quarkonia durch deren Zerfall in zwei Myonen in neu zugänglichen kinematischen Bereichen zu messen. Das erste zentrale Element dieser Arbeit ist die detaillierte Beschreibung der Messung der Polarisationen der Upsilon(nS) Bottomonia und (weniger detailliert) der Psi(nS) Charmonia. Diese Ergebnisse basieren auf Daten, die mit dem CMS Detektor in Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet wurden. Überraschenderweise zeigen die Resultate keine signifikante Polarisation, weder in einem der verwendeten Referenzsysteme, noch in einer vom System unabhängigen Analyse. Diese Resultate ermöglichen es, gemeinsam mit neuen Ergebnissen anderer Experimente, das verwirrende experimentelle Bild vergangener Untersuchungen zu klären, welches durch ambige und inkonsistente Messungen der Polarisation von Quarkonia charakterisiert war. Der favorisierte theoretische Zugang zur Beschreibung der Produktion von Quarkonia ist die sogenannte nicht-relativistische Quantenchromodynamik (NRQCD), eine von der QCD inspirierte effektive Quantenfeldtheorie, welche Quark-Antiquark Übergänge in Farb-Oktett Zuständen für die Produktion von Quarkonia zulässt. Ein weiteres zentrales Element dieser Arbeit ist die detaillierte Beschreibung einer phänomenologischen Studie zur Interpretation von LHC-Daten zur Produktion von Quarkonia. Der Fokus dieser NRQCD Analyse beruht auf der Interpretation genereller Merkmale der Daten, und rückt die Polarisationsmessungen in den Mittelpunkt. Diese Analyse führt zu einem konsistenten Verständnis von Produktionsquerschnitten und Polarisationen der Quarkonia mit einem simplen Modell, in welchem die Produktion von einem einzigen Farb-Oktett Zwischenzustand dominiert ist. Die daraus gewonnenen Ergebnisse ermöglichen neue Einblicke in die Dynamik der Produktion von Quarkonia und stellen einen Meilenstein für das allgemeine Verständnis der Bildung von Hadronen im Standardmodell dar.

With the first proton-proton collisions in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in 2010, a new era in high energy physics has been initiated. The data collected by the various experiments open up the possibility to study standard model processes with high precision, in new areas of phase space. The LHC provides excellent conditions for studies of quarkonium production, due to the high quarkonium production rates given the high center-of-mass energy and high instantaneous luminosity of the colliding proton beams. Studies of the production of heavy quarkonium mesons - bound states of a heavy quark and its respective antiquark - are very important to improve our understanding of hadron formation. Until quite recently, experimental and phenomenological efforts have not resulted in a satisfactory overall picture of quarkonium production cross sections and quarkonium polarizations. The Compact Muon Solenoid (CMS) detector is ideally suited to study quarkonium production in the experimentally very clean dimuon decay channel, up to considerably higher values of transverse momentum than accessible in previous experiments. The scope of this thesis is to describe in detail the measurements of the polarizations of the Upsilon(nS) bottomonium states and (in less detail) of the Psi(nS) charmonium states, based on a dimuon data sample collected with the CMS detector in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV. Surprisingly, no significant polarizations were found in any of the studied quarkonium states, in none of the studied reference frames, nor in a frame-independent analysis. From an experimental point of view, these results, together with recent results from other experiments, clarify the confusing picture originating from previous measurements, which were plagued by experimental ambiguities and inconsistencies. The currently most favored approach to model and understand quarkonium production is non-relativistic quantum chromodynamics (NRQCD), a QCD-inspired model which allows color-octet pre-resonant quark-antiquark states to contribute to quarkonium bound state formation. The measurements obtained as a result of this work, together with other LHC measurements in the field of quarkonium production, are interpreted with an original phenomenological approach within the theoretical framework of NRQCD, guided by the observation of a few general features of the data, and corroborated by a detailed study of the quarkonium production cross section and polarization observables. This phenomenological analysis leads to a coherent picture of quarkonium production cross sections and polarizations within a simple model, dominated by one single color-octet production mechanism. These findings provide new insight in the dynamics of heavy quarkonium production at the LHC, an important step towards a satisfactory understanding of hadron formation within the standard model.