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Charge correlations and collective dynamics in Pb-Pb collisions at sqrt(sNN)=2.76 TeV

Onderwaater, Jacobus :
Charge correlations and collective dynamics in Pb-Pb collisions at sqrt(sNN)=2.76 TeV.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Charge dependent correlations and collective dynamics in Pb-Pb collisions - Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Charge correlations and collective dynamics in Pb-Pb collisions at sqrt(sNN)=2.76 TeV
Language: English
Abstract:

The theory of the strong force is called Quantum Chromodynamics (QCD). Within experimental limits it is observed that QCD respects CP-symmetry, although there is no confirmed fundamental explanation for why this is the case. This is known as the strong CP problem. Despite the observed symmetry conservation, it is expected that fluctuations in a larger system may locally result in a violation of CP-symmetry. It was argued that local parity violation, which is driven by the nontrivial topological structure of the QCD vacuum, coupled with a strong magnetic field may result in a separation of charges along the direction of the magnetic field. This phenomenon is called the chiral magnetic effect (CME). Relativistic heavy ion collisions such as at the LHC could meet the conditions for a measurement of the CME. For this, knowledge of the orientation of the magnetic field, which is perpendicular to the reaction plane, is needed. Collision symmetry planes can be estimated with Q-vectors that quantify the preference in the azimuthal direction of measured particles. To correct for detector imperfections in the measurement of the Q-vector, a ROOT-based correction framework was developed, building on corrections proposed by Selyuzhenkov and Voloshin. The functionality is increasingly used as a common tool in the ALICE collaboration. Due to its general applicability to data from heavy ion experiments, the package is publicly available and has already gained interest from researchers in CBM and NA61. With understanding of the orientation of the magnetic field, the CME can be searched for with parity-even two- and multi-particle correlations, such as the charge dependence of two-particle correlations with respect to the reaction plane. However, these observables are also sensitive to the presence of background correlations, notably arising from the anisotropic flow modulation of locally created opposite charged particle pairs (local charge conservation), which obstructed a definite conclusion on the origins of the observed charge dependence. This work presents the measurement of an extended set of mixed harmonic correlations based on 〈cos(φ_α + φ_β − 2Ψ_RP)〉, in Pb-Pb collisions at sqrt(sNN)=2.76 TeV with ALICE, that characterize the facets of the shape of the signal. Additionally, the mentioned correlation is measured with one identified hadron (pion, kaon, or proton), reported as a function of the identified hadron transverse momentum. The measurements of the correlators with different sensitivity to the CME and background effects show varying degrees of charge dependence. The 〈cos(φ_α + φ_β − 2Ψ_RP)〉 correlation, which has maximum sensitivity to the CME but also background effects, shows a charge dependence increasing towards peripheral collisions, as is qualitatively in line with expectations. The second harmonic of this correlator is not sensitive to the charge separation perpendicular to the reaction plane, as associated to the CME, but can be used to quantify correlations from background sources, for example clusters of particles exhibiting charge conservation with angular correlations modulated by anisotropic flow, and is found to be consistent with zero within the systematic uncertainty. The measurement of the CME correlator with pions, kaons and protons reveals a particle type dependence in the charge dependence. More data for higher precision and model comparisons are required to make a better defined and quantitative conclusion about the contributions from background sources in the observation of the charge separation in the various correlations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Theorie der starken Kraft ist die Quantenchromodynamik (QCD). Innerhalb der experimentellen Grenzen wurde beobachtet, dass die QCD die CP-Symmetrie erhält, obwohl keine bestätigte fundamentale Erklärung besteht, warum dies der Fall ist. Dies ist bekannt als starkes CP Problem. Trotz der beobachteten Symmetrieerhaltung wird erwartet, dass individuelle Wechselwirkungen die CP-Symmetrie in mikroskopischer Größenordnung innerhalb größerer Systeme verletzen. Es wurde vorgeschlagen, dass lokale Paritätsverletzung, hervorgerufen durch die nicht-triviale topologische Struktur des QCD-Vakuums, in Verbindung mit einem starken Magnetfeld, zu einer experimentell beobachtbaren Separation von Ladungen entlang der Richtung des Magnetfeldes führen könne. Dieses Phänomen wird chiraler magnetischer Effekt (CME) genannt. Relativistiche Schwerionenstöße, wie jene am LHC, könnten die Bedingungen für die Messung des CME erfüllen. Dafür sind Kenntnisse über die Orientierung des Magnetfeldes, das senkrecht zur Reaktionsebene steht, notwendig. Symmetrieebenen der Kollision können mit Q-Vektoren abgeschätzt werden, welche die bevorzugte azimuthale Richtung der gemessenen Teilchen quantifiziert. Um Detektor-Unvollkommenheiten in der Messung des Q-Vektors auszugleichen, wurde ein auf ROOT basierendes Korrektur-Framework entwickelt, aufbauend auf den von Selyuzhenkov und Voloshin vorgeschlagenen Korrekturen. Die Funktionalität findet zunehmend als ein verbreitetes Werkzeug in der ALICE-Kollaboration Verwendung. Aufgrund der allgemeinen Anwendbarkeit auf Daten aus Schwerionen-Experimenten ist das Paket öffentlich zugänglich und hat bereits das Interesse von Forschern in CBM und NA61 geweckt. Mithilfe der erworbenen Kenntnisse über die Orientierung des Magnetfeldes kann der CME mittels paritätsgerader Zwei- und Vielteilchen-Korrelationen gesucht werden, wie der Ladungsabhängigkeit von Zweiteilchenkorrelationen in Bezug auf die Reaktionsebene. Diese Observablen sind jedoch ebenfalls sensitiv auf Untergrundkorrelationen, insbesondere hervorgerufen duch Modulationen lokal erzeugter ungleichnamig geladener Teilchenpaare (lokale Ladungserhaltung) durch den anisotropen Fluss, was eine definitive Antwort auf die Frage des Ursprungs der beobachteten Ladungsabhängigkeit verhinderte. In dieser Arbeit wird eine Erweiterung von Messungen gemischt-harmonischer Korrelationen, basierend auf 〈cos(φ_α + φ_β − 2Ψ_RP)〉, Pb–Pb Kollisionen bei sqrt(sNN)=2.76 TeV, gemessen durch ALICE, vorgestellt, welche die Aspekte der Form des Signals charakterisieren. Außerdem wurde die erwähnte Korrelation mit einem identifizierten Hadron (Pion, Kaon oder Proton) gemessen. Sie wird als Funktion des Transversalimpulses des identifizierten Hadrons präsentiert. Die Messungen von Korrelatoren mit unterschiedlich starker Sensitivität bezüglich des CME und Untergrundeffekten zeigen unterschiedlich starke Ladungsabhängigkeit. Die 〈cos(φ_α + φ_β − 2Ψ_RP)〉-Korrelation, die maximale Sensitivität bezüglich CME, aber auch bezüglich Untergrundeffekten aufweist, zeigt eine zu periphären Kollisionen hin zunehmende Ladungsabhängigkeit, was qualitativ mit Erwartungen übereinstimmt. Die zweite Harmonische dieses Korrelators ist nicht sensitiv auf Ladungstrennung senkrecht zur Reaktionsebene, wie sie mit dem CME verbunden wird, kann jedoch benutzt werden, um Korrelationen aus Untergrundbeiträgen zu quantifizieren, wie zum Beispiel Cluster von Teilchen, die Ladungserhaltung aufweisen mit Winkelkorrelationen, die vom anisotropen Fluss moduliert werden. Innerhalb der systematischen Unsicherheiten ist diese nicht von Null verschieden. Die Messung des CME-Korrelators mit Pionen, Kaonen und Protonen offenbart eine Abhängigkeit vom Teilchentyp in der Ladungsabhängigkeit. Messungen mit höherer Statistik und Modell-Vergleiche sind notwendig, um besser bestimmte und quantitativere Schlussfolgerungen bezüglich der Anteile von Untergrundbeiträgen in der Beobachtung der Ladungstrennung in den verschiedenen Korrelationen zu ziehen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
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 > Kern- und Beschleunigerphysik, Quantenchaos
Date Deposited: 06 Nov 2017 14:11
Last Modified: 06 Nov 2017 14:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69388
Referees: Andronic, P.D. Dr. Anton and Moore, Prof. Dr. Guy
Refereed: 7 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6938
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