Particle Identification in Jets and High-Multiplicity pp Events with the ALICE TPC

Abstract

The spectra of identified particles in a collision experiment comprise crucial information about the underlying physical processes. The ALICE experiment has powerful Particle IDentification (PID) capabilities, which are unique at the Large Hadron Collider (LHC). In this thesis, a statistical PID method based on the specific energy loss dE/dx in the ALICE Time Projection Chamber (TPC) is developed: the TPC Multi-Template Fit (MTF). The MTF allows for the extraction of identified charged particle spectra in a wide momentum range, which extends from about 150 MeV/c to above 20 GeV/c. The TPC PID requires a detailed modelling of the TPC dE/dx response for momenta above 2-3 GeV/c. A framework is developed that allows for the determination of the model parameters and for evaluating the PID information of charged particles.

With the MTF, the transverse momentum (pT) spectra of charged pions, kaons and protons at mid-rapidity (|eta| < 0.9) are measured for pp collisions at sqrt(s) = 7TeV. It is studied how these spectra and the corresponding K/pi and p/pi ratios evolve as a function of the event multiplicity. The study is motivated by the recent observation that high-multiplicity pp collisions exhibit intriguing similarities to p–Pb and Pb–Pb collisions. For instance, long-range correlations were observed in all three systems and the K/pi and p/pi ratios in p–Pb and Pb–Pb collisions showed a similar evolution with multiplicity. It is found that the latter ratios in pp collisions evolve as a function of multiplicity in a very similar way as in the larger systems. While a hydrodynamical description can explain these effects and is justified in Pb–Pb collisions, its application to smaller systems seems questionable. The new results can help to distinguish between the variety of models that has been suggested to explain the observations.

These “soft” phenomena are just one aspect of the physics at particle colliders. Another are “hard” probes like jets. Jets are objects that are defined for both experimental measurement and theoretical calculation, thus, allowing for directly comparing the two. The calculation of hadronic production cross-sections usually involves Fragmentation Functions (FFs), that need to be determined from experiment and currently exhibit large systematic uncertainties. The MTF is therefore also used to measure the charged hadron composition in charged jets from pp collisions. The spectra have been obtained as a function of the transverse momentum of the constituent, pT^{track}, and as a function of the reduced momentum z^{charged} := pT^{track} / pT^{jet,charged}. An increase of the strangeness production with z^{charged} and the suppression of leading baryons (z^{charged} -> 1) is visible in the K/pi and p/pi ratios. The results can be used to further constrain the FFs and to distinguish between theoretical models. A comparison to various PYTHIA Perugia tunes shows that all considered tunes roughly reproduce the observed trends, but none of them provides a perfect description of the data.

In Kollisionsexperimenten beinhalten die Spektren identifizierter Teilchen wichtige Informationen über die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse. Das ALICE Experiment bietet leistungsstarke Möglichkeiten zur Teilchenidentifikation (PID), die am Large Hadron Collider (LHC) einzigartig sind. In dieser Arbeit wird eine Methode zur statistischen PID entwickelt, die auf dem spezifischen Energieverlust dE/dx in der Spurendriftkammer (TPC) von ALICE beruht: der TPC Multi-Template Fit (MTF). Der MTF ermöglicht die Messung der Spektren von identifizierten, geladenen Teilchen über einen weiten Impulsbereich, welcher sich von ca. 150 MeV/c bis oberhalb von 20 GeV/c erstreckt. Die Teilchenidentifikation in der TPC benötigt eine detaillierte Modellierung des TPC-dE/dx-Ansprechverhaltens für Impulse oberhalb von 2-3 GeV/c. Es wird ein Framework entwickelt, welches sowohl die Bestimmung der Modellierungsparameter, als auch die Auswertung der PID-Informationen von geladenen Teilchen ermöglicht.

Der MTF wird zur Messung der Transversalimpulsspektren (pT) geladener Pionen, Kaonen und Protonen im zentralen Rapiditätsbereich (|eta| < 0.9) in pp- Kollisionen mit sqrt(s) = 7TeV verwendet. Es wird untersucht wie sich diese Spektren und die entsprechenden K/pi- und p/pi-Verhältnisse als Funktion der Multiplizität des Events verhalten. Motiviert wird diese Studie durch die kürzliche Beobachtung, dass pp-Kollisionen mit hoher Multiplizität verblüffende Ähnlichkeiten mit p–Pb- und Pb–Pb-Kollisionen aufweisen. Beispielsweise wurden langreichweitige Korrelationen in allen drei Systemen beobachtet und die K/pi- und p/pi-Verhältnisse in p–Pb- und Pb–Pb-Kollisionen zeigten ein ähnliches Verhalten mit sich ändernder Multiplizität. Es wird beobachtet, dass sich die letzteren Verhältnisse in pp-Kollisionen in einer sehr ähnlichenWeise als Funktion der Multiplizität verhalten wie in größeren Systemen. In Pb–Pb-Kollisionen kann eine hydrodynamische Beschreibung diese Effekte erklären und ist gerechtfertigt, wohingegen eine Anwendung auf kleinere Systeme fragwürdig erscheint. Die neuen Ergebnisse können dabei helfen zwischen der Vielzahl an Modellen zu unterscheiden, die zur Erklärung der Beobachtungen vorgeschlagen wurden.

Diese „weichen“ Phänomene sind nur ein Aspekt der Physik an Teilchenbeschleunigern. Ein anderer sind „harte“ Sonden wie etwa Jets. Jets sind Objekte, die sowohl für experimentelle Messungen, als auch für theoretische Berechnungen definiert sind. Sie ermöglichen daher einen direkten Vergleich dieser. Die Berechnung hadronischer Produktionswirkungsquerschnitte geht üblicherweise mit der Verwendung von Fragmentationsfunktionen (FFs) einher, die experimentell bestimmt werden müssen und derzeit große systematische Unsicherheiten aufweisen. Der MTF wird daher auch dazu verwendet, um die Zusammensetzung geladener Jets aus geladenen Hadronen in pp-Kollisionen zu messen. Die Spektren werden sowohl als Funktion des Transversalimpulses der Bestandteile, pT^{track}, als auch als Funktion des reduzierten Impulses z^{charged} := pT^{track} / pT^{jet,charged} bestimmt. Anhand der K/pi- und p/pi-Verhältnisse zeigt sich eine erhöhte Strangeness-Produktion mit zunehmendem zcharged und eine Unterdrückung führender Baryonen (z^{charged} -> 1). Die Resultate können dazu verwendet werden, um die FFs weiter einzuschränken und um zwischen theoretischen Modellen zu unterscheiden. Ein Vergleich mit verschiedenen PYTHIA Perugia Tunes ergibt, dass alle untersuchten Tunes annäherungsweise die beobachteten Trends beschreiben. Jedoch bietet keines der Tunes eine perfekte Beschreibung der Daten.