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Production of strange hadrons in charged jets in Pb-Pb collisions measured with ALICE at the LHC

Zimmermann, Alice

German Title: Produktion von Hadronen mit Strangeness in geladenen Jets in Pb-Pb Kollisionen gemessen mit ALICE am LHC

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Abstract

First measurements of the baryon-to-meson ratio in heavy-ion collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) showed an relatively enhanced baryon production at intermediate transverse momentum (pt around 3 GeV/c) relative to pp collisions. Measurements at much higher energy at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN corroborated this observation. Although the mechanisms of this enhanced baryon production is not yet known, there are several scenarios proposed to explain this. These are e.g. collective effects and string fragmentation in a hydro-dynamically expanding environment. These collective phenomena, like the particle flow, are a characteristic feature of the Underlying Event (UE) in Pb-Pb collisions. Partons that are produced by hard parton scatterings in an early stage of the heavy-ion collision and which can be measured as a collimated spray of particles, a particle jet, are assumed to hadronise via fragmentation. The production of the particles from the Underlying Event (UE) is in principle indepen-dent of the fragmentation process but could have a possible impact on the jet fragments. In this way it is possible that interactions between partons that stem from the fragmentation and those inside the hot and dense medium created in heavy-ion collisions, could change the jet pattern. So far several measurements observed these medium-modifications in terms of jet quenching. Furthermore a modification of the fragmentation functions in Pb-Pb collisions was lately seen by the CMS and the ATLAS experiment. There are models that consider alternative hadronisation mechanisms to explain the baryon anomaly. They expect hadrons at low pt to be produced via recombination, which is a soft process that is expected to favour baryon over meson production. Particles with a momentum larger than pt = 4-6 GeV/c would, on the other hand, be produced in hard processes via fragmentation, that does not lead to an enhanced production of baryons (compared to production in vacuum). The study of identified particle yields and ratios like lambda(antilambda) and K0s in jets in Pb-Pb collisions will help to disentangle energy loss and hadronisation scenarios and their pt dependence. For the analysis presented in this thesis, the pt spectra of strange particles associated with jets are studied for the 10% most central events in Pb-Pb collisions at sqrt(snn) = 2.76 TeV. Furthermore they are compared to the inclusive particle measurement and the (lambda+antilambda)/2K0s ratio in jets in p-Pb collisions at sqrt(snn) = 5.02 TeV. For the particles within jets, that are produced via hard parton fragmentation, the (lambda+antilambda)/2K0s ratio is found to be much less enhanced than the corresponding ratio for inclusive particles. Within uncertainties, it is furthermore con-sistent with a reference measurement in jets in p-Pb collisions. The measured (lambda+antilambda)/2 and K0s pt spectra however give strong hints about possible modifications. The comparison to the scaled V0 pt spectra in jets in Pb-Pb collisions indicates medium-modifications of the spectra in Pb-Pb collisions. The K0s yields seem to be enhanced in Pb-Pb for all hadron pt intervals w.r.t. the reference. The lambda yields at low hadron pt indicate an enhancement while for higher hadron pt they hint on a suppression of the yields. This could point to a modification of the fragmentation pattern similar as observed by CMS and ATLAS. Furthermore the observation raises the question whether there could be a particle-species dependent strength of the medium-modification of the fragmentation functions and probably also as a function of the jet pt.

Translation of abstract (German)

Nachdem Messungen des Verhältnisses von Baryonen zu Mesonen in Schwerionenkollisionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) eine erhöhte Produktion von Baryonen bei mittleren Transversalimpulsen (ca. 2-5 GeV/c) im Vergleich zu Messungen in Proton-Proton-Kollisionen gezeigt hatten, konnte diese Beobachtung am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei viel höherer Strahlenergie bestätigt werden. Die Ursache dieser Baryon Anomalie ist bis heute nicht eindeutig geklärt, aber eine Anzahl möglicher Interpretationen existiert, die u.a. kollektive Effekte oder die Fragmentation sogenannter Farbstrings in einem sich hydrodynamisch expandierenden Medium (das sogenannte Quark-Gluon-Plasma), das sich in ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen bildet, zur Erklärung heranziehen. Kollektive Effekte, wie z.B. direkter und elliptischer Teilchenfluss, sind charakteristisch für die Vielzahl von niederenergetischen Teilchen, die bei der Hadronisierung des Quark-Gluon-Plasmas entstehen und weisen eine Abhängigkeit bezüglich der Teilchenmasse auf, was zu der Ausbildung der beobachteten Baryon Anomalie führen könnte. Alternative Erklärungskonzepte betrachten Teilchen die aus der Streuung hochenergetischer Partonen in einer frühen Phase der Blei-Blei-Kollision hervorgehen. Diese können im Experiment als ein kollimierter Strahl von Teilchen (sogenannter "Jet") mit überwiegend hohen Teilchenimpulsen nachgewiesen werden. Die Jet-Konstituenten werden durch die Hadronisierung von Farbstrings produziert. Diese entstehen durch Fragmentation der hochenergetisch gestreuten Partonen. Es wird angenommen, dass der große Untergrund von niederenergetischen Teilchen aus der Blei-Blei-Kollision unabhängig von der Jetproduktion entsteht. Allerdings besteht die Möglichkeit dass Wechselwirkungen zwischen Partonen aus dem Plasma und aus der Fragmentation (also schon vor der Hadronisierung) das Fragmentationsmuster beeinflussen könnten. Dafür gibt es mehrere experimentelle Hinweise aus Messungen am RHIC und am LHC, die zum einen eine signifikante Abschwächung von Jets in Schwerionenkollisionen gegenüber Jets aus Proton-Proton-Kollisionen zeigen (das sogenannte "Jet-Quenching"), zum anderen aber auch deutliche Hinweise auf eine Modifikation der Impulsverteilung von Jet-Konstituenten ("Fragmentationsfunktionen") geben. Demnach werden im Jet mehr niederenergetische Teilchen gebildet während Teilchen mit mittlerem Transversalimpuls (pt) weniger häufig zu finden sind. Ein anderer Ansatz zur Erklärung der Baryon Anomalie betrachtet den Hadronisierungsprozess von Teilchen aus verschiedenen Bereichen des Impulsspektrums. Hadronen mit einem pt von ca. 4-6 GeV/c würden demnach vorwiegend aus dem Zusammenschluss von Quarks aus dem dichtbesetzten Phasenraum innerhalb des heißen und dichten Plasmas produziert. Dieser statistische Prozess begünstige die Baryonproduktion gegenüber der von Mesonen. Für Teilchenproduktion im Bereich ab ca. 4-6 GeV/c hingegen dominiert perturbative Stringfragmentation als Hadronisierungsmechanismus, bei dem Baryonproduktion nicht in der Weise bevorzugt wird, wie es bei der "Rekombination" von quarks z.B. erwartet würde.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Transversalimpulsspektren von neutralen Kaonen und Lambda-Baryonen in Jets in der 10% zentralsten Klasse von Blei-Blei Kollisionen bei srqt(snn) = 2.76 TeV. Die gemessenen Spektren und das (lambda+antilambda)/2k0s Verhältnis wird mit den bereits gemessenen inklusiven Teilchen (d.h. alle Teilchen innerhalb der Messakzeptanz) sowie mit den Resultaten aus der Analyse dieser Teilchen in Jets in Proton-Blei-Kollisionen bei sqrt(snn) = 5.02 TeV verglichen. Das gemessene Baryon-zu-Meson-Verhältnis in Jets ist weit weniger erhöht als in den inklusiven Teilchenspektren. Es weicht zudem nicht signifikant von dem Verhältnis ab, welches in Proton-Proton Kollisionen gemessen wurde. Dies weißt darauf hin, dass die Baryon Anomalie ein Charakteristikum des niederenergetischen Untergrunds in den Blei-Blei-Kollosionen ist und könnte beispielsweise durch verschiedene Hadronisationsmechanismen im Untergrund und in Jets erklärt werden. Die gemessenen (Lamdba+Antilambda) und K0s Transversalimpulsspektren hingegen geben mehr detaillierte Information über mögliche Abweichungen von den Referenzmessungen in Proton-Blei-Kollisionen. Kaonen in Jets in Blei-Blei-Kollisionen scheinen demnach häufiger produziert zu werden. Der Vergleich der Spektren von Lambda-Baryonen in Jets in Blei-Blei-Kollisionen mit den Spektren in Proton-Blei-Kollisionen zeigt, dass Lambdas mit mittlerem Impuls (2-4 GeV/c) leicht häufiger, bei höheren Impulsen (4-10 GeV/c) mit leicht geringer Häufigkeit produziert werden. Diese Beobachtungen könnten auf eine Medium-Modifikation der Fragmentationsfunktionen der Jets hinweisen und deutet auch auf eine mögliche Abhängigkeit der Modifikation von der Masse der identifizierten Jet-Konstituenten hin.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Stachel, Prof. Dr. Johanna
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 26 October 2016
Date Deposited: 25 Nov 2016 12:17
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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