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Calibration of the ALICE Transition Detector and a study of Z-Boson and heavy quark production in pp collisions at the LHC

Bailhache, Raphaelle :
Calibration of the ALICE Transition Detector and a study of Z-Boson and heavy quark production in pp collisions at the LHC.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Calibration of the ALICE TRD and simulation study for pp collisions at 14 TeV with ALICE - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Calibration of the ALICE Transition Detector and a study of Z-Boson and heavy quark production in pp collisions at the LHC
Language: English
Abstract:

The ALICE Experiment is one of the four experiments installed at the Large Hadron Collider (LHC). One of its detector-systems, the Transition Radiation Detector (TRD), is a gas detector designed for electron identification and charged particle tracking. The charged particle ionizes the gas along its path and electrons drift in an uniform field of 700 V/cm over 3 cm before being amplified. We implemented procedures to calibrate the drift velocity of the electrons, the time-offset of the signal, the amplification factor and the width of the Pad Response Function (PDF) characterizing the sharing of the deposited charge over adjacent pads. Physics events (pp and PbPb collisions) will be used. The performances of the algorithms were tested on simulated pp collisions at √s=14 TeV and on first real data taken with cosmic-rays in the ALICE setup. The calibration software was installed on the Data Acquisition System at CERN and executed continuously during the cosmic-ray data taking in 2008, providing a first determination of the calibration constants. This thesis presents also a study on the capability of the ALICE central barrel to detect the Z-boson through the decay Z→e+e- in pp collisions at 14 TeV. The production cross-section has small theoretical errors in QCD and a comparison between the experimental results and the theoretical calculations allows to check the understanding of the detector response at high transverse momentum. We demonstrated that the Z→e+e- is characterized by a very clean signal in the dielectron reconstructed invariant mass spectrum. At such high transverse momentum (about 45 GeV/c=mZ/2), the electrons from Z are identified with the Transition Radiation Detector. The remaining background from misidentified pions and electrons from heavy-flavored decays are rejected by the requirement of two isolated reconstructed tracks. The main challenge comes from the very small production rate. Therefore we estimated the efficiency of a trigger based on a low pT cut and electron identification with the TRD and showed that about 100 Z→e+e- can be reconstructed per year employing such a trigger. Another physics topics investigated in this thesis is the measurement of the charm and bottom production via their semileptonic decays. These measurements allow at high pT to test pQCD calculations in pp collisions and are essential prerequisites for the understanding of the Quark Gluon Plasma expected to be produced in PbPb collisions. In this work, we studied the electrons from c and b decays reconstructed in the central barrel. For 108 minimum-bias events at √s=10 TeV (as was initially expected for the year 2008), a pT of about 6 GeV/c can be reached. The electrons are identified with the Time Projection Chamber, TRD and Time-Of-Flight. First estimations of the contamination and Particle Identification efficiency based on a Bayesian approach were performed. At high pT, electrons from heavy-flavored hadrons become dominant but at low pT the main source of electrons is gamma conversion in the detector material and the π0 Dalitz decay. We showed that the expected signal-to-background ratio, which was found to be similar as in the PHENIX experiment for pp collisions at √s=200 GeV, will allow a measurement of the charm and bottom cross-sections.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das ALICE Experiment ist eines der vier großen Experimente am Large Hadron Collider (LHC). Einer seiner Detektoren, der Transition Radiation Detector (TRD), ist ein Gasdetektor, welcher zur Elektronenidentifikation und zum Auffinden von Teilchenspuren geladener Teilchen verwendet wird. Geladene Teilchen ionisieren dabei entlang ihres Weges durch den Detektor das Driftgas und die Elektronen driften in einem Feld der Stärke 700 V/m über eine Strecke von 3 cm, bevor ihr Signal verstärkt wird. Wir entwickelten eine Prozedur zur Kalibrierung der Driftgeschwindigkeit, der Nullzeit , des Verstärkungfaktors und der Breite der Pad Response Funktion (PRF), welche die Verteilung der deponierten Ladung über benachbarte Pads beschreibt. Anhand simulierten pp-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie (√s von 14TeV sowie an den ersten realen Daten, der Aufnahme kosmischer Strahlung, wurde die Performance des Algorithmus getestet. Die Kalibrierungssoftware wurde auf dem Data Aquisition System (DAQ) am CERN installiert und wird nun parallel zu den Messungen ausgeführt, um eine erste Bestimmung der oben genannten Größen zu erhalten. Des Weiteren enthält diese Arbeit eine Studie über die Möglichkeit der zentralen ALICE Detektoren zum Nachweis von Z-Bosonen über den Zerfall Z→e+e- in pp-Kollisionen bei √s=14TeV. Der Produktionswirkungsquerschnitt ist mit einem kleinen theoretischen Fehler aus der QCD versehen, und ein Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und theoretischen Erwartungen ermöglicht eine überprüfung des Verständnisses des Detektorsignales bei hohen Transversalimpulsen. Wir zeigen, dass ein sehr klares Signal im rekonstruierten Spektrum der invarianten Masse charakteristisch für den Zerfall Z→e+e- ist. Bei so hohen Transversalimpulsen (etwa 45 GeV/c=cMZ/2) werden die Elektronen mit Hilfe des Transition Radiation Detektors identifiziert. Der Untergrund bestehend aus fehlerhaft identifizierten Pionen und Elektronen aus den Zerfällen schwerer Hadronen kann unterdrückt werden, indem man zwei isolierte Teilchenspuren fordert. Die größte Herausforderung stellt jedoch die kleine Produktionsrate dar. Wir schätzen die Effizienz des Triggers , welcher auf einer niedrigen Schwelle bei niedrigen pT und Teilchenidentifikation mit Hilfe der TRD basiert, und zeigen, dass unter Verwendung eines solchen Triggers 100 Zs pro Jahr rekonstruiert werden können. Ein weiteres physikalisch Thema, welches in dieser Arbeit untersucht wurde, ist die Messung von charm- und bottom Produktion über deren semi-leptonischen Kanäle. Die Messung erlaubt bei hohen Transversalimpulsen einen Test der pQCD-Berechnungen für pp-Kollisionen und ist notwendig zum Verständnis des Quark-Gluon-Plasmas, wovon man erwartet, dass es in PbPb-Kollisionen gebildet wird. Wir untersuchen die Elektronen aus den c- und b-Zerfällen, die in den zentralen Detektoren nachgewiesen werden. In 108 minimum-bias Ereignissen (ursprünglich für das Jahr 2008 erwartet) ist eine Untersuchung bis zu pT = 6 GeV/c möglich. Die Elektronen werden mit der Time Projection Chamber (TPC), dem Transition Radiation Detetector (TRD) und der Time-Of-Flight identifiziert. Erste Schätzungen der Effizienz der Teilchenidentifikation basierend auf dem Verfahren von Bayes wurden durchgeführt. Bei hohen pT sind Elektronen aus den zerfällen schwerer Hadronen dominant, bei niedrigen pT sind jedoch die Elektronen aus Gamma-Konversionen und Dalitz-Zerfällen die größte Quelle. Wir zeigen, dass das Signal/Untergrund-Verhältnis, welches dem des PHENIX Experimentes bei √s=200 GeV sehr ähnelt, eine Messung des charm- und bottom-Wirkungsquerschnittes ermöglicht.German
Uncontrolled Keywords: Ultrarelativistic heavy ion collisions, Phase transitions, Quark Gluon Plasma, Gas detector, Transition Radiation detector, Drift velocity, Gain, Pad Response Function, Weak Bosons, Heavy Quarks
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Ultrarelativistic heavy ion collisions, Phase transitions, Quark Gluon Plasma, Gas detector, Transition Radiation detector, Drift velocity, Gain, Pad Response Function, Weak Bosons, Heavy QuarksEnglish
Ültrarelativistische Schwerionenreaktion, Quark-Gluon-Plasma, Darmstadt / Gesellschaft für Schwerionenforschung, CERN, Gasdetektor, Übergangsstrahlungsdetektor, Driftgeschwindigkeit, schwache Wechselwirkung, Z- und W-BosonenGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 20 Apr 2009 06:56
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13691
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Braun-Munzinger, Prof. Dr. Peter and Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Refereed: 28 January 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1369
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