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Transverse Momentum Distributions and Nuclear Modification Factors in Heavy-Ion Collisions with ALICE at the Large Hadron Collider

Gronefeld, Julius Maximilian :
Transverse Momentum Distributions and Nuclear Modification Factors in Heavy-Ion Collisions with ALICE at the Large Hadron Collider.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Transverse Momentum Distributions and Nuclear Modification Factors in Heavy-Ion Collisions with ALICE at the Large Hadron Collider
Language: English
Abstract:

In this work, Pb-Pb collisions measured in 2010 during the first data taking period (Run 1) at a centre-of-mass energy of √snn = 2.76 TeV and data taken in 2015 during Run 2 at √snn = 5.02 TeV are analysed. In November 2017, the LHC brought xenon ions to collision for the first time; this data set that was taken at √snn = 5.44 TeV is also analysed.

Transverse momentum pt distributions at high pt of charged particles have shown that particle yields in heavy-ion (AA) collisions are suppressed compared to a superposition of independent nucleon-nucleon collisions (binary collision scaling). This observation is related to parton energy loss in the Quark Gluon Plasma (QGP).

To obtain the charged-particle yield as a function of pt, corrections are made for tracking efficiency and acceptance, for contamination by secondary particles from weak decays or secondary interactions and for the pt resolution. To circumvent differences in the particle composition of event generators and data, the charged-particle reconstruction efficiency is calculated from the particle-dependent efficiencies weighted by the relative abundances of each particle measured during Run 1. The correction for contamination with secondary particles is usually obtained from Monte-Carlo (MC) simulations. The abundances of secondary particles in data and MC is estimated by analysing the distance of closest approach of tracks to the event vertex. It is found that the contamination correction from MC has to be scaled up by ~50% to match the data. The improvement of the analysis methods resulted in a reduction of the total relative systematic uncertainties by about 50% compared to previous analyses due to an improved reconstruction and calibration procedure in Run 2, as well as to improved track selection methods.

The transverse momentum distribution of charged particles from Pb-Pb and Xe-Xe collisions were measured for nine classes of centrality. The measurement was performed for particles within -0.8 to 0.8 in pseudo-rapidity and for a transverse-momentum range of 0.15<pt<50 GeV. The nuclear modification factor (RAA) is defined as the pt-differential yield in a AA collision divided by the cross section in pp collisions, scaled by the nuclear overlap function calculated in a Monte-Carlo Glauber approach. Any suppression of particle yields in AA compared to a superposition of individual pp collisions results in a nuclear modification factor below unity. All measurements exhibit a moderate suppression for peripheral collisions. With increasing collision centrality, a pronounced suppression with RAA ~ 0.13 at intermediate pt develops. At higher pt, a significant rise of the nuclear modification factor is observed. The comparison of RAA as a function of the charged particle density per unit of rapidity dN_ch/dη shows a remarkable agreement of the observed suppression at high pt in Xe-Xe and Pb-Pb collisions at both energies scales for dN_ch/dη>400. This scaling does not hold for collisions with lower particle multiplicities. This observation is consistent with a dependence of the partonic energy loss on the square of the path length in the medium. At lower transverse momenta a dependence of RAA on the collision energy is observed, which might be due to the collision energy dependence of the bulk particle production.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kollisionen von Bleikernen ausgewertet, die während der ersten Messperiode (Run 1) bei einer Schwerpunktsenergie von √snn = 2.76 TeV und während Run 2 bei √snn = 5.02 TeV aufgezeichnet wurden. Im November 2017 brachte der LHC zum ersten Mal Xenonkerne mit einer Schwerpunktsenergie von √snn = 5.44 TeV zur Kollision. Diese Daten werden hier ebenfalls analysiert. In der Vergangenheit wurde in Transversalimpulsverteilungen von geladenen Teilchen eine verringerte Teilchenausbeute im Vergleich zur Superposition unabhängiger Nucleon-Nucleon Kollisionen festgestellt. Diese Beobachtung steht im Zusammenhang mit dem Energieverlust hochenergetischer Partonen im Quark Gluon Plasma (QGP). Um die Verteilung von geladenen Teilchen als Funktion des Transversalimpulses (pt) zu erhalten, werden Korrekturen für Spurrekonstruktionseffizienz und Detektorakzeptanz, für Verunreinigung mit Sekundärteilchen, so wie für die pt-Unschärfe angewendet. Um Unterschiede in der Zusammensetzung der Teilchensorten zwischen Daten und Kollisionssimulationen auszugleichen, wird die Rekonstruktionseffizienz aus den teilchensortenabhängigen Effizienzen entsprechend der relativen Gewichtung der jeweiligen Sorte in Run 1 Messungen bestimmt. Die Korrektur für die Verunreinigung mit Sekundärteilchen - aus Zerfällen und Detektorwechselwirkung - wird mit Hilfe einer Monte-Carlo (MC) Simulation bestimmt. Die Menge von Sekundärteilchen in Daten und MC wird abgeschätzt, in dem die maximale Annäherung der Spuren an den Ereignisursprung (Vertex) analysiert wird. Es stellt sich heraus, dass die Verunreinigung in MC erhöht werden muss um den Daten zu entsprechen. Die Verbesserung der Analysemethoden führen gemeinsam mit einer verbesserten Kollisionsrekonstruktion und Kalibrierung des Detektors zu einer Verringerung der systematischen Unsicherheiten von 50% im Vergleich zu vorherigen Untersuchungen. Die Transversalimpulsverteilungen von geladenen Teilchen in Pb-Pb und Xe-Xe Kollisionen wurde für neun Klassen von Kollisionszentralität gemessen. Die Messung wurde für Teilchen mit einer Pseudorapidität von -0.8 bis 0.8 im Impulsbereich von 0.15<pt<50 GeV durchgeführt. Der Kernmodifizierungsfaktor (RAA) ist das Verhältnis der pt abhängigen Teilchenausbeute in Schwerionenkollisionen zu dem pt abhängigen Wechselwirkungsquerschnitt in Proton-Proton Kollisionen, skaliert mit der Nuklearendichtefunktion, die durch eine Glauber Monte-Carlo Rechnung bestimmt wird. Jegliche Verringerung in der Teilchenausbeute in Schwerionenkollisionen drückt sich in einem RAA kleiner als eins aus. Der RAA wurde für alle Kollisionssysteme in neun Zentralitäten bestimmt. Alle Messungen zeigen dieselben Merkmale mit einer gering unterdrückten Teilchenausbeute in peripheren Kollisionen. Bei zunehmender Zentralität der Kollision entwickelt sich ein markantes Minimum mit RAA \approx 0.13 bei mittleren Transversalimpulsen. Bei höheren pt wird ein signifikanter, linearer Anstieg des RAA beobachtet. Der Vergleich des RAA der verschiedenen Systeme als Funktion der rapiditätsnormierten Teilchendichte (dN_ch/dη) zeigt, dass RAA bei hohen pt mit dN_ch/dη skaliert sobald die mehr als 400 Teilchen pro Rapiditätseinheit erzeugt werden. Für geringere Teilchendichten gilt diese Skalierung nicht mehr. Dieses Verhalten deutet auf eine Abhängigkeit des Energieverlustes der Partonen im Medium mit dem Quadrat der Pfadlänge hin. Bei niedrigen pt gilt dieser Zusammenhang ebenfalls nicht, jedoch wird eine Abhängigkeit von der Kollisionsenergie festgestellt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 30 Aug 2018 08:43
Last Modified: 30 Aug 2018 08:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-76533
Referees: Andronic, Prof. Dr. Anton and Moore, Prof. PhD. Guy
Refereed: 31 May 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7653
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