German Title: Verwendung von Zuschauerneutronen zur Bestimmung der fluktuierenden Formen der QGP-Tropfen, die bei Schwerionenkollisionen am LHC entstehen

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Abstract

The strong force is one of the four fundamental forces that describes the interaction of quarks and gluons. Its theory is called quantum chromodynamics (QCD), and one of its features is the running of the coupling constant, which depends on the momentum transfer between quarks and gluons. This gives rise to the notion that nuclear matter can be heated up to the temperatures when a new state of matter, governed by deconfined quarks and gluons, will be created. This state is called the quark-gluon plasma (QGP). The different phases and transitions of the QCD matter can be studied via relativistic heavy-ion collisions, in which extreme temperature and baryon density can be achieved. Under conditions of small baryon chemical potential, μb ≈ 0 MeV, the lattice QCD predicts a crossover transition at temperature about 156 MeV. These conditions can be achieved in relativistic heavy-ion collisions at LHC energies.

The initial energy density in the overlap region of two colliding nuclei is asymmetric, and its shape fluctuates due to the inner structure of the nuclei. This spatial anisotropy is converted during the hydrodynamic expansion of the QGP into momentum anisotropies in the distribution of produced particles, known as anisotropic flow. The anisotropic flow develops a particle-type dependence due to the hydrodynamic expansion since the particles of different masses are affected differently by the radial fluid velocities.

A detailed understanding of the initial state of a heavy-ion collision is important in order to extract the transport properties of the QGP, e.g., the shear and bulk viscosities, from the comparison with the hydrodynamic model calculations. A unique role in this context is played by the spectator nucleons, which are the remnants of the collision. Due to the strong Lorentz contraction of the nuclei, their passing time is much shorter than the expansion time of the QGP. Consequently, spectator nucleons are sensitive to the early times of the collision evolution and using them in flow measurements has a unique potential to improve understanding of the initial conditions.

The results presented in this thesis provide new insights for the understanding of the initial state and the hydrodynamic evolution of the QGP. The thesis presents novel measurements of the anisotropic flow relative to the neutron spectator plane, v2 {ΨSP}, in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76TeV recorded by the ALICE experiment at the LHC. The measurements are performed for charged pions, kaons, and (anti)protons at mid-rapidity as a function of transverse momentum, pT = 0.2-6 GeV/c, and collision centrality. The v2 {ΨSP} is compared to anisotropic flow relative to the participant plane, estimated by the two- and four-particle cumulants. A significant difference between charged pions and (anti)protons (kaons) of 3.6% (1.6%) was found, suggesting a coupling of the effects of the hydrodynamic expansion of the QGP and the subsequent hadronization with the initial state fluctuations. These novel measurements open new opportunities to control contributions from initial state fluctuations in flow measurements, which is crucial for precise determination of the QGP transport properties from the systematic comparison of the experimental data to the hydrodynamic model calculations.

Translation of abstract (German)

Die starke Kraft ist eine der vier Grundkräfte, die die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen beschreibt. Ihre Theorie wird Quantenchromodynamik (QCD) genannt, und eines ihrer Merkmale ist der Verlauf der Kopplungskonstante, die von der Impulsübertragung zwischen Quarks und Gluonen abhängt. Daraus ergibt sich die Vorstellung, dass die Kernmaterie bis zu den Temperaturen aufgeheizt werden kann, bei denen ein neuer Materiezustand entsteht, der durch entkoppelte Quarks und Gluonen bestimmt wird. Dieser Zustand wird als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet. Die verschiedenen Phasen und Übergänge der QCD-Materie können durch relativistische Schwerionenkollisionen untersucht werden, bei denen extreme Temperaturen und Baryonendichten erreicht werden können. Unter den Bedingungen eines kleinen chemischen Baryonenpotentials μb ≈ 0 MeV sagt die Gitter-QCD einen Übergang bei Temperaturen um 156 MeV voraus. Diese Bedingungen können in relativistischen Schwerionenkollisionen bei LHC-Energien erreicht werden.

Die anfängliche Energiedichte im Überlappungsbereich zweier kollidierender Kerne ist asymmetrisch, und ihre Form schwankt aufgrund der inneren Struktur der Kerne. Diese räumliche Anisotropie wird während der hydrodynamischen Expansion des QGP in Impulsanisotropien der erzeugten Teilchen umgewandelt, die als anisotroper Fluss bezeichnet werden. Der anisotrope Fluss entwickelt aufgrund der hydrodynamischen Expansion eine Abhängigkeit vom Teilchentyp, da die Teilchen unterschiedlicher Masse unterschiedlich von den radialen Flussgeschwindigkeiten des QGP beeinflusst werden.

Ein detailliertes Verständnis des Anfangszustandes einer Schwerionen-Kollision ist wichtig, um die Transporteigenschaften des QGP, z.B. die Scher- und Volumenviskosität, aus dem Vergleich mit den hydrodynamischen Modellrechnungen zu extrahieren. Eine besondere Rolle spielen in diesem Zusammenhang die Zuschauernukleonen, die die Überbleibsel der Kollision sind. Aufgrund der starken Lorentz-Kontraktion der Kerne ist ihre Verweilzeit viel kürzer als die Expansionszeit des QGP. Folglich sind Zuschauernukleonen empfindlich für die frühen Zeiten der Kollisionsentwicklung, und ihre Verwendung in Strömungsmessungen hat ein einzigartiges Potenzial, um das Verständnis der Anfangsbedingungen zu verbessern.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse für das Verständnis des Anfangszustands und der hydrodynamischen Entwicklung des QGP. Die Arbeit stellt neue Messungen des anisotropen Flusses relativ zur Zuschauernukleonenebene v2{ΨSP} in Pb-Pb-Kollisionen bei √sNN = 2.76TeV vor, die vom ALICE-Experiment am LHC aufgezeichnet wurden. Die Messungen werden für geladene Pionen, Kaonen und (Anti-)Protonen bei mittlerer Geschwindigkeit als Funktion des transversalen Impulses, pT = 0.2-6 GeV/c, und der Kollisionszentralität durchgeführt. Der v2{ΨSP} wird mit dem anisotropen Fluss relativ zur Teilnehmerebene verglichen, der durch die Zwei- und Vier-Teilchen-Kumulanten geschätzt wird. Es wurde ein signifikanter Unterschied zwischen geladenen Pionen und (Anti-)Protonen (Kaonen) von 3.6% (1.6%) festgestellt, was auf eine Kopplung der Effekte der hydrodynamischen Expansion des QGP und der anschließenden Hadronisierung mit den Fluktuationen des Anfangszustands schließen lässt. Diese neuartigen Messungen eröffnen neue Möglichkeiten zur Kontrolle der Beiträge von Anfangszustandsfluktuationen bei Strömungsmessungen, was für die genaue Bestimmung der QGP-Transporteigenschaften durch den systematischen Vergleich der experimentellen Daten mit den hydrodynamischen Modellrechnungen entscheidend ist.