Search for exotic bound states and measurement of the (anti-)alpha production yield in Pb–Pb collisions with ALICE at the LHC (CERN)

The ALICE detector system has excellent particle identification (PID) capabilities employing a variety of techniques. One of these is the specific energy loss dE/dx measurement in the Time Projection Chamber (TPC). The dE/dx is different for each particle species and can be used to identify charged particles including also (anti-)nuclei. The time-of-flight method uses the m^2/z^2 distributions (m = mass of the particle, z charge number of the particle), which are determined from the flight time and the length of the particle trajectory measured with the Time-Of-Flight (TOF) detector, and the momentum extracted through combined tracking in the ALICE setup in the mid-rapidity region.

Within this doctoral thesis these techniques are used for the search for two exotic bound states, the anti-Λn bound state and the H-dibaryon, as well as for the measurement of the production yield per unit of rapidity dN/dy of alpha and anti-alpha particles. Both, the searches for the exotica and the measurement of the (anti-)alpha, are performed on data from Pb–Pb collisions at sqrt(s_(NN)) = 2.76 TeV.

The searches for the two investigated exotica are carried out in the decay channel anti-Λn → anti-d + π+ and H → Λ+p+π−. The different decay products are identified using the specific energy loss measurements in the TPC and their invariant mass is determined. For both investigated bound states no signals are observed in the resulting invariant mass distributions. Therefore, upper limits on the production rates are estimated for eight different assumed lifetimes between 4 cm and 3 m. In addition, the upper limits are determined independent of the branching ratio of the investigated decay channel and are compared to different theory predictions.

The alpha particle is the heaviest nucleus produced and detected during ultra-relativistic heavy-ion collisions at LHC energies and the anti-alpha is even the heaviest anti-nucleus observed so far at all. The particles are identified using the dE/dx measurement in the TPC and the m^2/z^2 distributions determined with the measurements of the TOF. The efficiency × acceptance is determined using a Monte Carlo production. As the observed statistics does not allow for the determination of the transverse momentum pT-spectrum, a Blast-Wave extrapolation is used, which is based on the measurements of the spectra of deuterons and 3He. This allows for the pT-integrated determination of the efficiency. Systematic uncertainties are calculated and the resulting rapidity density dN/dy is comparable with the prediction from a thermal model.

Das ALICE Detektorsytem weist verschiedene exzellente Möglichkeiten zur Teilchenidentifizierung auf. Eine dieser Möglichkeiten ist der für jede Teilchensorte verschiedene, spezifische Energieverlust dE/dx, der in der ALICE Zeitprojektionskammer gemessen wird und zur Identifizierung von geladenen Teilchen und Anti-Teilchen, inklusive (Anti-)Kerne, genutzt werden kann. Eine weitere Teilchenidentifizierungsmethode verwendet m^2/z^2-Verteilungen (m = Masse des Teilchens, z Ladungszahl des Teilchens). Diese Verteilungen werden bestimmt durch die Messung der Flugzeit, der Länge der Flugbahn der Teilchen mit dem Flugzeitdetektor (TOF) und der Messung des Impulses, der aus der kombinierten Spurrekonstruk- tion im ALICE Aufbau in der mittleren Rapiditäts-Region extrahiert wurde.

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden unter anderem diese Techniken benutzt, um nach zwei exotischen gebundenen Zuständen, dem anti-Λn und dem H-dibaryon, zu suchen und um die Produktionsrate von Alpha and Anti-Alpha Teilchen zu messen. Für alle vorgestellten Analysen wurden Daten aus Pb–Pb Kollisionen bei sqrt(s_(NN)) = 2.76 TeV ausgewertet.

Die Suchen nach den beiden untersuchten exotischen Teilchen werden in den Zerfallskanälen anti-Λn → anti-d + π+ und H-dibaryon → Λ + p + π− durchgeführt. Die verschiedenen Tochterteilchen werden mit Hilfe des spezifischen Energieverlustes in der TPC identifiziert und ihre invariante Masse wird bestimmt. In beiden Fällen wurde kein Signal in der resultierenden Verteilung der invarianten Massen gefunden. Daher wurden obere Grenzen für die Produktionsraten für acht verschiedene mögliche Lebensdauern zwischen 4 cm und 3 m bestimmt. Außerdem wurden die oberen Grenzen unabhängig von dem Verzweigungsverhältnis des untersuchten Zerfallskanals bestimmt und mit mehreren theoretischen Vorhersagen verglichen.

Das Alpha-Teilchen ist der schwerste Kern, der bisher in ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen bei LHC Energien nachgewiesen werden konnte, wobei das dazugehörige Anti-Teilchen sogar das schwerste seiner Art ist, das jemals beobachtet wurde. Die Teilchen werden mit Hilfe der dE/dx Messung in der TPC und der m^2/z^2-Verteilung, die aus den Messungen des Flugzeitdetektors bestimmt wurden, identifiziert. Für die Effizienzkorrektur wurde eine Monte Carlo Produktion mit Alpha und Anti-Alpha Teilchen angereichert. Da die Anzahl der detektierten Teilchen zu klein ist, um ein Transversalimpulsspektrum zu messen, wurde eine Blast-Wave Extrapolation, die auf den Messungen der Spektren von Deuteronen und 3He beruht, benutzt. Diese erlaubt die Bestimmung der pT integrierten Effizienz. Desweiteren wurden systematische Fehler bestimmt. Die resultierenden Rapiditätsdichten dN/dy sind in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des thermischen Modells.