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Multiplicity dependent J/ψ production in proton-proton collisions at the LHC

Weber, Steffen Georg (2018):
Multiplicity dependent J/ψ production in proton-proton collisions at the LHC.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8461],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

The discovery of the J/ψ particle in 1974 helped to fully establish the quark model of hadrons and sparked an increased interest in particle physics that led to rapid developments in the field in the following years. This period was later coined the November Revolution in particle physics. Due to the different energy scales at play in J/ψ production, both perturbative and nonperturbative aspects of Quantum ChromoDynamics (QCD) are relevant for an accurate description. Over time, increasingly sophisticated theoretical models have provided a more and more detailed picture of J/ψ production in hadronic interactions, albeit it is still defying a conclusive description of all aspects of its production. Recently, high particle multiplicities created in proton-proton collisions have been met with increased interest due to observations of apparent collective phenomena traditionally linked with the creation of a medium in heavy-ion collisions. The correlation between J/ψ production and the charged-particle multiplicity is an excellent observable addressing the interplay between hard and soft processes. It can help to shape a complete picture of proton-proton collisions, especially with regard to mechanisms like multiparton interactions and saturation effects in the particle production. ALICE is an experiment at the LHC, dedicated to the study of the hot and dense medium created in heavy-ion collisions. With its excellent tracking and particle identification capabilities in dense environments it is also well suited for the study of proton-proton collisions with high particle multiplicities. With the Run-2 data taking of the LHC, the highest collision energies ever created in the laboratory have become accessible. A special data taking campaign with the ALICE experiment focused on collecting collisions with high charged-particle multiplicities allows access to unprecedented multiplicity regimes. In this thesis, a measurement of the self-normalized inclusive J/ψ yield at mid-rapidity in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV as a function of the self-normalized charged-particle multiplicity is presented. The analysis has been performed as a function of the multiplicity at mid-rapidity and at forward rapidity. Transverse momentum integrated J/ψ production and J/ψ production at low and high transverse momenta have been investigated. A stronger than linear increase of J/ψ production with particle multiplicity is observed, with no significant effect of a rapidity gap between the J/ψ and the region in which the particles are measured. The increase is strongest for J/ψ at high transverse momentum. The results of the analysis are compared to theoretical model predictions. Though differing in the assumptions on the physical processes, all of them agree at least qualitatively with the experimental results. With a comprehensive study of Monte Carlo simulations often overlooked autocorrelation effects between the J/ψ signal and the particle multiplicity are addressed. Based on this study, a refinement of the presented measurement via the exclusion of the regions most affected by autocorrelation effects from the particle multiplicity measurement is proposed.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Weber, Steffen Georg
Title: Multiplicity dependent J/ψ production in proton-proton collisions at the LHC
Language: English
Abstract:

The discovery of the J/ψ particle in 1974 helped to fully establish the quark model of hadrons and sparked an increased interest in particle physics that led to rapid developments in the field in the following years. This period was later coined the November Revolution in particle physics. Due to the different energy scales at play in J/ψ production, both perturbative and nonperturbative aspects of Quantum ChromoDynamics (QCD) are relevant for an accurate description. Over time, increasingly sophisticated theoretical models have provided a more and more detailed picture of J/ψ production in hadronic interactions, albeit it is still defying a conclusive description of all aspects of its production. Recently, high particle multiplicities created in proton-proton collisions have been met with increased interest due to observations of apparent collective phenomena traditionally linked with the creation of a medium in heavy-ion collisions. The correlation between J/ψ production and the charged-particle multiplicity is an excellent observable addressing the interplay between hard and soft processes. It can help to shape a complete picture of proton-proton collisions, especially with regard to mechanisms like multiparton interactions and saturation effects in the particle production. ALICE is an experiment at the LHC, dedicated to the study of the hot and dense medium created in heavy-ion collisions. With its excellent tracking and particle identification capabilities in dense environments it is also well suited for the study of proton-proton collisions with high particle multiplicities. With the Run-2 data taking of the LHC, the highest collision energies ever created in the laboratory have become accessible. A special data taking campaign with the ALICE experiment focused on collecting collisions with high charged-particle multiplicities allows access to unprecedented multiplicity regimes. In this thesis, a measurement of the self-normalized inclusive J/ψ yield at mid-rapidity in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV as a function of the self-normalized charged-particle multiplicity is presented. The analysis has been performed as a function of the multiplicity at mid-rapidity and at forward rapidity. Transverse momentum integrated J/ψ production and J/ψ production at low and high transverse momenta have been investigated. A stronger than linear increase of J/ψ production with particle multiplicity is observed, with no significant effect of a rapidity gap between the J/ψ and the region in which the particles are measured. The increase is strongest for J/ψ at high transverse momentum. The results of the analysis are compared to theoretical model predictions. Though differing in the assumptions on the physical processes, all of them agree at least qualitatively with the experimental results. With a comprehensive study of Monte Carlo simulations often overlooked autocorrelation effects between the J/ψ signal and the particle multiplicity are addressed. Based on this study, a refinement of the presented measurement via the exclusion of the regions most affected by autocorrelation effects from the particle multiplicity measurement is proposed.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Untersuchung von Quark-Materie mit virtuellen Photonen
Date Deposited: 17 Feb 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8461
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84613
Referees: Andronic, Prof. Dr. Anton and Moore, Prof. PhD Guy
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 November 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Die Entdeckung des J/ψ Teilchens im Jahre 1974 verhalf dem Quark-Modell der Hadronen zum Durchbruch und entfachte ein erhöhtes Interesse an der Teilchenphysik, das zu einer rasanten Entwicklung dieses Fachgebiets in den folgenden Jahren führte. Diese Periode wurde später als November-Revolution in der Teilchenphysik bekannt. Aufgrund der unterschiedlichen Energieskalen, die bei der Erzeugung von J/ψ auftreten, sind sowohl störungstheoretisch behandelbare Aspekte der Quantenchromodynamik (QCD) für eine akkurate Beschreibung ausschlaggebend, als auch solche die sich einer störungstheoretischen Behandlung entziehen. Im Laufe der Zeit wurde mittels einer zunehmenden Verfeinerung theoretischer Modelle ein immer detaillierter werdendes Bild der Erzeugung von J/ψ in hadronischen Kollisionen erreicht, jedoch entzieht es sich weiterhin einer vollständigen Beschreibung sämtlicher Askpekte seiner Erzeugung. In jüngster Zeit wird die Erzeugung hoher Teilchenzahlen in Proton-Proton-Kollisionen mit verstärktem Interesse beobachtet. Grund hierfür sind Beobachtungen augenscheinlich kollektiver Phänomene, die üblicherweise mit der Erzeugung eines Mediums in Schwerionenkollisionen in Verbindung gebracht werden. Die Korrelation zwischen der Erzeugung von J/ψ und der Zahl geladener Teilchen ist eine ausgezeichnete Observable des Zusammenspiels hoch- und nierigenergetischer Prozesse. Sie kann dabei helfen, ein vollständiges Bild von Proton-Proton-Kollisionen zu gestalten, insbesondere in Bezug auf Mechanismen wie Multiparton-Interaktionen und Sättigungseffekte in der Teilchenerzeugung. ALICE ist ein Experiment am LHC, spezialisiert auf die Untersuchung des heißen und dichten Mediums, welches in Schwerionenkollisionen erzeugt wird. Mit seinen exzellenten Fähigkeiten zur Spurfindung und Teilchenidentifikation in dichten Umgebungen ist es auch für die Untersuchung von Proton-Proton-Kollisionen mit hoher Teilchenzahl gut geeignet. Mit der zweiten Datennahmeperiode am LHC werden die höchsten je im Labor erzeugten Schwerpunktsenergien zugänglich. Eine spezialisierte Datennahme-Kampagne des ALICE Experiments mit dem Schwerpunkt auf Kollisionen hoher Teilchenzahlen verschafft Zugriff auf bisher unerreichte Multiplizitätsbereiche. In dieser Arbeit wird eine Messung der selbstnormierten J/ψ -Erzeugung in zentraler Rapidität in Proton-Proton-Kollisionen einer Schwerkunktsenergie von sqrt(s) = 13 TeV as Funktion der selbstnormierten Multiplizität geladener Teilchen vorgestellt. Die Analyse wurde als Funktion der Multiplizität in zentraler und vorwärts gerichteter Rapidität durchgeführt. Die Transversalimpuls-integrierte J/ψ -Erzeugung und die J/ψ Erzeugung bei niedrigem und hohem Transversalimpuls wurden untersucht. Die Erzeugung von J/ψ steigt mit zunehmender Teilchenzahl stärker als linear an, eine Rapiditätslücke zwischen dem J/ψ und der Region, in der die Teilchen gemessen werden, hat keinen signifikanten Einfluss. Die Zunahme ist am stärksten für J/ψ mit hohem Transversalimpuls. Die Ergebnisse der Analyse werden mit Vorhersagen theoretischer Modelle verglichen. Obwohl unterschiedliche pyhsikalische Prozesse angenommen werden, stimmen alle zumindest qualitativ mit den experimentellen Ergebnissen überein. Eine ausführliche Untersuchung von Monte Carlo-Simulationen behandelt häufig übersehene Autokorrelations-Effekte zwischen dem J/ψ -Signal und der Teilchenmultiplizität. Basierend auf diesen Untersuchungen wird eine Verfeinerung der vorgestellten Messung mittels des Auschlusses der am särksten von Autokorrelationen betroffenen Bereiche von der Messung der Teilchenmultiplizität vorgeschlagen.German
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