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Single-electron analysis and open charm cross section in proton-proton collisions at √s = 7 TeV

Fasel, Markus :
Single-electron analysis and open charm cross section in proton-proton collisions at √s = 7 TeV.
TU Darmstadt / Physik
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Single-electron analysis and open charm cross section in proton-proton collisions at √s = 7 TeV
Language: English
Abstract:

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is the world’s highest energy hadron collider, providing proton- proton collisions currently at a centre-of-mass energy √s = 8 TeV and Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV. This opens a new energy regime, which allows the study of QCD in elementary pp-collisions and in the extreme environment of Pb-Pb collisions, as well as providing a discovery potential for rare and exotic particles. ALICE is the dedicated heavy-ion experiment at the LHC. The experiment is optimised to provide excellent tracking and particle identification capabilities, in particular at low-pt, where the bulk of the particles is produced in heavy-ion collisions as well as in proton-proton collisions. The production of heavy quarks is described in proton-proton collisions by next-to-leading order per- turbative QCD (pQCD) calculations. Thus, the measurement of heavy-quark production in proton-proton collisions serves as a test of pQCD. Measurements performed at SPS, RHIC, and Tevatron experiments showed a good agreement with pQCD, where the data were usually at the upper limit of the prediction. In addition, measurements in proton-proton collisions serve as reference for heavy-ion collisions, in which heavy quarks are essential probes for parton energy loss in a deconfined medium. Heavy-quark produc- tion can be studied either with hadronic or in semi-leptonic decay channels. The analysis presented in this thesis is performed in the semi-electronic decay channel with the ALICE apparatus. A crucial device for the electron selection is the Transition Radiation Detector (TRD), which provides an important contribution to the electron-pion separation for momenta larger than 1 GeV/c. In November 2010, the first data were recorded with the experiment. The electron selection performance was studied for the first time on real data using data-driven methods. A pion-rejection factor of 23 at a momentum of 2 GeV/c was obtained using a likelihood method on the total charge deposit in the detector for tracks with the maximum amount of charge deposit measurements. The inclusive electron pt-spectrum, which contains contributions from heavy-flavour hadrons as well as from various background sources, was measured for 0.5 GeV/c < pt < 8 GeV/c in proton-proton collisions at √s = 7 TeV at midrapidity (|y| < 0.5). The contribution of background electrons was quantified using a cocktail method, and it was subtracted from the inclusive spectrum. For the resulting spectrum of electrons from heavy-flavour hadron decays a signal-to-background ratio of 1 was observed at pt = 2 GeV/c. This ratio grows with increasing electron pt up to ≈5 at pt = 8 GeV/c. The pt-differential cross section of electrons from heavy-flavour hadron decays obtained by this method is in good agreement with fixed-order plus next-to-leading logarithm pQCD (FONLL) predictions. The total charm cross section in proton-proton collisions obtained from this analysis is σc = 7.6 ± 0.3(stat) ± 2.9(sys) -2.5 +3.2(extr) ± 0.3(norm) ± 0.3(br) mb.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im größten Hadronenkollider der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, werden Protonen bei einer Schwerpunktsenergie, welche zur Zeit √s = 8 TeV beträgt, und Bleikerne bei derzeitig √sNN = 2.76 TeV zur Kollision gebracht. Dadurch wird die Tür in einen neuen Energiebereich geöffnet, was die Untersuchung der QCD in elementaren Protonenkollisionen und in der extremen Umgebung von Schwerionenkollisionen erlaubt, und ein Endeckungspotenzial für seltene und exotische Teilchen bere- itstellt. ALICE ist das auf Schwerionenkollisionen spezialisierte Experiment am LHC. Das Experiment wurde auf exzellente Teilchenidentifikation und Spurrekonstruktion bei niedrigem pt optimiert, einem Impulsbereich, in dem sowohl in Proton-Proton als auch in Schwerionenkollisionen die Mehrzahl der Teilchen produziert wird. Die Produktion schwerer Quarks wird in Protonenkollisionen durch perturbative Quantenchromodynamik (pQCD) in höherer Ordnung beschrieben. Daher kann die Messung der Produktion schwerer Quarks zur Überprüfung perturbativer QCD Rechnungen verwendet werden. Messungen bei niedrigeren Energien am SPS, am RHIC und am Tevatron zeigten gute Übereinstimmung mit pQCD Rechnungen, wobei die Daten typischerweise an der oberen Grenze der theoretischen Vorhersagen lagen. Des weiteren dienen die Messungen in Protonenkollisionen als Referenzbfür Schwerionenkollisionen. Die Produktion schwerer Quarks kann sowohl in hadronischen als auch in semi-leptonischen Zerfallskanälen untersucht werden. Die in dieser Dissertation vorgestellte Analyse, wurde in semi-elektronischen Zerfallskanälen mit dem ALICE Apparat durchgeführt. Eine bedeutende Komponente zur Elektronenidentifikation ist der Übergangsstrahlungsdetektor (TRD), der einen wichtigen Beitrag zur Elektron-Pion Separation leistet. Das Verhalten der Elektronenidentifika- tion wurde das erste Mal an echten Daten mit einer auf Daten basierenden Methode überprüft. Der Pionenunterdrückungsfaktor wurde mit einer Likelihoodmethode basierend auf der Ladungsdeposition in der Kammer ermittelt. Bei einem Impuls von 2 GeV/c beträgt der gemessene Pionenunterdrückungsfaktor 23 für Spuren mit der maximalen an Ladungsdepositionsmessungen. Das inklusive pt-Spektrum von Elektronen, welches sowohl Beiträge aus Zerfällen von Hadronen mit schweren Quarks als auch Beiträge aus Untergrundquellen enthält, wurde im Transversalimpulsbereich 0.5 GeV/c < pt < 8 GeV/c in Protonenkollisionen bei √s = 7 TeV bei zentraler Rapidität (|y| < 0.5) gemessen. Der Anteil der Untergrundelektronen wurde mit Hilfe einer Cocktailmethode quantifiziert und vom inklusiven Spektrum abgezogen. Für das resultierende pt-Spektrum von Elektronen aus den Zerfällen von Hadronen mit schweren Quarks beträgt das Signal-zu-Untergrund Verhältnis 1 bei pt = 2 GeV/c. Diese Verhältnis steigt mit dem Transversalimpuls der Elektron bis auf ≈5 bei pt = 8 GeV/c. Der gemessene pt-differenzielle Wirkungsquerschnitt stimmt gut mit FONLL pQCD überein. Der in dieser Analyse bestimmte totale charm Wirkungsquerschnitt beträgt σc = 7.6 ± 0.3(stat) ± 2.9(sys) −2.5 +3.2(extr) ± 0.3(norm) ± 0.3(br) mb.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 27 Nov 2012 12:28
Last Modified: 07 Dec 2012 12:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31509
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Braun-Munzinger, Professor Peter and Wambach, Professor Jochen
Refereed: 31 October 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3150
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