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Light (anti)nuclei production at the LHC measured in pp collisions at 13 TeV

Habib, Michael Karim (2022):
Light (anti)nuclei production at the LHC measured in pp collisions at 13 TeV. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020241,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Light (anti)nuclei production at the LHC measured in pp collisions at 13 TeV
Language: English

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) collected over two billion proton-proton collision events at a center-of-mass energy of 13 TeV during the second running period (from 2016 to 2018) of the Large Hadron Collider (LHC). This rich data sample allows for studies of at this collision energy rarely produced objects, such as light nuclei. In this work, the first multiplicity and transverse-momentum (pT) differential measurement of helium (3He) nuclei and triton (3H) as well as their corresponding antinuclei in proton-proton collisions at the LHC is presented. The interaction of quarks and gluons, the constituents of all hadrons, is described by quantum chromodynamics (QCD), the theory of the strong interaction. Thus, QCD is the underlying theory of the formation process of light nuclei. In practice, the light nuclei formation in collisions at relativistic energies is modeled using two phenomenological approaches: the statistical hadronization model and the coalescence model. The first expresses the production of all hadrons according to the laws of statistical physics, assuming emission from a medium in local thermal equilibrium. In this approach, the hadron yields are determined by the hadron mass, the chemical freeze-out temperature, the baryon chemical potential, and the system volume. The statistical hadronization model successfully describes the hadron yields over a wide mass range, going from the lowest (a few GeV) to the highest (a few TeV) center-of-mass collision energies. It is effectively applied to small and large systems ranging from e+e− to central uranium-uranium collision. The coalescence model, on the other hand, describes the production mechanism of nuclei on the microscopic level. In the simplest version, a nucleus is formed when its constituent nucleons are close in phase space (momentum and spatial distance are small). More sophisticated versions of the coalescence model take the emission source size and the nuclear radius into account. The key parameter of the model is the coalescence parameter BA, with A being the mass number of the nucleus. Experimentally BA is accessed as the ratio of the nucleus yield to the product of its constituent nucleon yields. The coalescence model is successfully used to describe and predict the formation of nuclei in relativistic collisions. Additionally, it is systematically used by the astrophysics community to predict antinuclei fluxes originating from collisions of cosmic rays with the interstellar medium. The ALICE detector at the LHC is perfectly suited to track and identify light nuclei. The identification capability of the ALICE Time Projection Chamber (TPC) allows for excellent separation power in the low-pT region via the measurement of the specific energy loss and it is complemented by a Time-of-Flight (TOF) detector extending the pT reach of the particle identification. Due to being doubly charged the helium nucleus is very well separated via its specific energy loss in the TPC and the measurement can be performed in the 1 ≤ pT ≤ 6 GeV/c interval. The 3H nucleus on other hand is identified using the combined information from TPC and TOF detectors limiting the transverse-momentum reach of the measurement to 1 ≤ pT ≤ 2.5 GeV/c. Additionally, the multiplicity and pT differential (anti)proton spectra serving as important references for light nuclei are measured in a transverse-momentum interval of 0.6 ≤ pT ≤ 5 GeV/c. In this work, two new data-driven correction methods have been developed, exploiting recent ALICE measurements of the inelastic hadronic interaction cross section. In the first method, the inelastic hadronic interaction cross section implemented in the Monte Carlo simulations, which are needed for the efficiency and acceptance correction, are reweighted, reducing the systematic uncertainty of this contribution by a factor of three compared to previous analyses. The second method uses the well-known proton inelastic cross section to evaluate the effect of the material budget on the particle spectra when using the TOF detector. The pT-spectra and the resulting integrated yields obtained in this work are used to study the formation process of light nuclei. Additionally, the pT-spectra of deuterons in pp collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV are presented and compared to the proton measurements. To study the light nuclei formation process as a function of the emission source radius, the results obtained in this work are discussed in the context of previously published ALICE results of light nuclei. The integrated deuteron-to-proton and helium-to-proton yield ratios show a smoothly increasing evolution with the event averaged charged-particle multiplicity density (dNch/dη), going from pp to central lead-lead collisions. The trend is in both cases described by the statistical hadronization and the coalescence model. However, in the intermediate multiplicity region (dNch/dη ≈ 30), a tension between the models and the measured helium-to-proton yield ratio is observed. The coalescence parameters B2 and B3 follow a decreasing trend with the average charged-particle multiplicity, which is, to first order, described by the latest coalescence models. The coalescence parameters are determined as a function of pT, showing a clear dependence on pT. The pT dependent coalescence parameter is compared to coalescence-model predictions using different nuclear wave functions. Surprisingly, B2 agrees best with the prediction using the solution of a harmonic oscillator as the wave function, while more sophisticated wave functions (e.g. van Hulthen) do not describe the data. B3 on the other hand is not predicted using a Gaussian nuclear wave function, which is the only one available at the moment. In the future, this approach can be used to study the nuclear wave function of exotic hyperons. Additionally, the measurement of the coalescence parameter will give a fundamental baseline for space-bound experiments measuring cosmic antinuclei fluxes. The experiments try to discover physics beyond the standard model via indirect dark matter searches. Antinuclei are one of the most potent probes due to their low background component originating from hadronic interactions in the galaxy. The proper estimate of this component is nevertheless crucial and BA measurements as presented in this work are therefore essential. With the third running period of the LHC starting in 2022 a new precision era for light-(anti)nuclei measurements will start. Among many new and exciting opportunities, the measurement of the triton-to-helium yield ratio, which at the moment does not have the necessary precision, will give a defined answer on the underlying nuclei formation process.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Während der zweiten Messperiode (von 2016 bis 2018) des Large Hadron Colliders (LHC) zeichnete ALICE (A Large Ion Collider Experiment) über zwei Milliarden Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV auf. Dieser einzigartige Datensatz ermöglicht die Messung seltener Teilchen, wie zum Beispiel leichte Kerne. In dieser Arbeit wird die erste Messung von Helium- (3He) und Tritiumkernen (3H) und ihren entsprechenden Antikernen, in Abhängigkeit von Multiplizität und Transversalimpul (pT), in Proton-Proton Kollisionen am LHC vorgestellt. Die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen, den Bausteinen aller Hadronen, wird durch die Quantenchromodynamik (QCD), die Theorie der starken Wechselwirkung, beschrieben. Somit ist QCD die zugrundeliegende Theorie des Entstehungsprozesses leichter Kerne. In der Praxis wird die Entstehung leichter Kerne in relativistischen Kollisionen in zwei phänomenologischen Ansätzen modelliert: dem statistischen Hadronisierungsmodell und dem Koaleszenzmodell. Das erste Modell nutzt die Gesetze der statistischen Physik, um die Ausbeute aller Hadronen zu beschreiben. Die zugrunde liegende Annahme besagt, dass alle Hadronen dem gleichen Medium, welches sich in lokalem thermischen Gleichgewicht befindet, entstammen. Die Ausbeute der einzelnen Hadronen ist durch die Hadronenmasse, die Temperatur beim chemischen Ausfrieren des Mediums, das baryochemiche Potential und das Systemvolumen bestimmt. Das statistische Hadronisierungsmodell wird erfolgreich verwendet, um die Hadronenausbeuten in einen weiten Massenbereich und einem weiten Kollisionsenergiebereich (von einigen GeV bis zu einigen TeV) verwendet. Es wird sowohl auf kleine Systeme, wie etwa in e+e− Kollisionen, als auch auf große Systeme, wie etwa erzeugt in Uran-Uran Kollision, angewendet. Das Koaleszenzmodell hingegen beschreibt den Produktionsmechanismus leichter Kernen auf der mikroskopischen Ebene. In der naivsten Fassung des Koaleszenzmodells entsteht ein Kern, sobald seine Nukleonen sich nahe im Phasenraum befinden, das heißt relativer Impuls und räumlicher Abstand klein sind. Modernere Versionen des Koaleszenzmodells berücksichtigen unter anderem die Größe der Emissionsquelle sowie den Kernradius. Der entscheidende Parameter des Modells ist der sogenannte Koaleszenzparameter BA, der experimentell als Verhältnis der Kernausbeute zum Produkt der Nukleonenausbeute bestimmt wird. Das Koaleszenzmodell wird erfolgreich verwendet, um die Entstehung leichter Kerne in relativistischen Kollisionen zu beschreiben und vorherzusagen. Darüber hinaus wird es in der Astrophysik systematisch verwendet, um die kosmischen Flüsse von Antikernen vorherzusagen, welche den Kollisionen kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entspringen. Der ALICE-Detektor am LHC ist ausgezeichnet dazu geeignet die Spuren leichter Kerne zu rekonstruieren und diese zu identifizieren. Die Teilchenidentifikation der ALICE Zeitprojektionskammer (TPC) ermöglicht es, mit der Messung des spezifischen Energieverlusts, verschiedene Teilchensorten bei niedrigen Transversalimpulsen voneinander zu separieren. Zusätzlich wird diese durch eine Flugzeitmessung (TOF) ergänzt, welche die Teilchenidentifikation bei höheren Transversalimpulsen ermöglicht. Dank seiner zweifachen Ladung ist der Heliumkern über den Energieverlust in der TPC exzellent separiert und die Messung wurde in dem Intervall 1 ≤ pT ≤ 6 GeV/c durchgeführt werden. Für die Identifikation des 3H-Kerns müssen hingegen die kombinierten Informationen der TPC- und TOF-Detektoren verwendet werden, wodurch sich das Transversalimpulsintervall der Messung auf 1 ≤ pT ≤ 2.5 GeV/c begrenzt. Zusätzlich werden die (Anti-)Protonenspektren als Funktion des Transversalimpulses und in Abhängigkeit der Multiplizität, in dem Intervall 0.6 ≤ pT ≤ 5 GeV/c, gemessen. Diese dienen als wichtige Referenzen zur Interpretation der Messungergebnisse leichter Kerne. In dieser Arbeit wurden zwei neue datenbasiere Korrekturmethoden entwickelt, die aktuelle ALICE-Messungen des inelastischen hadronischen Wechselwirkungsquerschnitts verwenden. Die erste Methode gewichtet, basierend auf Messdaten, die in Monte-Carlo-Simulationen, welche für die Effizienz- und Akzeptanzkorrektur benötigt werden, implementierten inelastischen hadronischen Wechselwirkungsquerschnitte. Dies reduziert die systematischen Unsicherheit dieses Beitrags im Vergleich zu früheren Analysen um einen Faktor drei. Die zweite Methode verwendet den bekannten inelastischen Protonenwechselwirkungsquerschnitt, um den Effekt des Detektormaterials auf die Teilchen zu evaluieren, sobald der TOF-Detektor für die Identifikation verwendet wird. Die in dieser Arbeit erzielten Messergebnisse werden mit früheren bereits veröffentlichten ALICE-Messungen leichter Kerne verglichen. Dies ermöglicht die Untersuchung des Entstehungsprozesses leichter Kerne als Funktion des Emissionsquellenradius. Zusätzlich wird eine Deuteronmessung in pp-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV verwendet und mit der Protonenmessung verglichen. Die Verhältnisse der integrierten Ausbeute von Deuteronen zu Proton und Heliumkernen zu Proton steigen stetig mit der durchschnittlichen Kollisionsmultiplizität geladener Teilchen (dNch/dη) an. In beiden Fällen wird der Trend durch sowohl das statistische Hadronisierungs- als auch das Koaleszenzmodell beschrieben. Im mittleren Multiplizitätsbereich (dNch/dη ≈ 30) zeigen sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen und dem gemessenen Verhältnis der Helium-zu-Protonausbeute auf. Die Koaleszenzparameter B2 und B3 folgen einem abnehmenden Trend als Funktion der durchschnittlichen Kollisionsmultiplizität, welcher in erster Näherung von aktuellen Koaleszenzmodellen beschrieben wird. Die Koaleszenzparameter als Funktion von pT zeigen einen deutlichen Anstieg mit dem Transversalimpuls. Der pT-abhängige Koaleszenzparameter wird mit Vorhersagen des Koaleszenzmodell unter Verwendung verschiedener nuklearer Wellenfunktionen verglichen. Überraschenderweise stimmt B2 am besten mit dem Koaleszenzmodell überein, welches einen harmonischen Oszillator als Wellenfunktion verwendet, während komplexere Wellenfunktionen (z.B. van Hulthen) die Daten nicht beschreiben. Der gemessene B3 Parameter hingegen wird nicht unter Verwendung einer Gaußschen Wellenfunktion beschrieben, welche momentan als einzige zur Verfügung steht. In der Zukunft kann dieser Ansatz unter anderem verwendet werden, um die Wellenfunktion von exotischen Hyperkernen zu untersuchen. Darüber hinaus liefert der Koaleszenzparameter eine Grundlage um die Messung der Flüsse kosmischer Antikern zu interpretieren. Kosmische Experimente versuchen, mithilfe dieser Messungen Physik jenseits des Standardmodells in Form von dunkler Materie zu entdecken. Antikerne sind aufgrund ihres geringen Hintergrunds, welcher aus hadronischen Wechselwirkungen in der Galaxie stammt, eine besonders gut geeignete Probe. Allerdings ist die richtige Abschätzung des Hintergrunds entscheidend und die BA-Messung, wie in dieser Arbeit vorgestellt, unerlässlich. Mit dem Start der dritten Messperiode des LHC im Jahr 2022 wird eine neue Ära der Präzision für die Messung leichter (Anti)Kerne beginnen. Unter anderem wird die Messung des Verhältnisses der Ausbeute von Triton zu Heliumkernen, die derzeit nicht die nötige Präzision erreicht, Aufschluss über den zugrundeliegenden Kernbildungsprozess geben.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 123 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
Date Deposited: 25 Jan 2022 10:18
Last Modified: 25 Jan 2022 10:18
DOI: 10.26083/tuprints-00020241
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202416
Referees: Galatyuk, Prof. Dr. Tetyana ; Andronic, Prof. Dr. Anton
Date of oral examination: 15 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20241
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