Investigation Of Baryons With Strangeness And Search For Weakly Decaying Exotics With ALICE ...

108 Pages·2013·29.93 MB·English

Investigation Of Baryons With Strangeness
And Search For Weakly Decaying Exotics
With ALICE At The LHC
VomFachbereichPhysik
derTechnischenUniversita¨tDarmstadt
zurErlangungdesGrades
einesDoktorsderNaturwissenschaften
(Dr.rer.nat.)
genehmigteDissertationvon
Dipl.-Phys.BenjaminDo¨nigus
ausGroß-Umstadt
Darmstadt2013
D17
Referent: Prof.Dr.P.Braun-Munzinger
Korreferent: Prof.Dr.J.Wambach
TagderEinreichung: 23.Januar2013
TagderPru¨fung: 06.Mai2013
Im Gedenken an meinen Vater
DeineWissenschaftseiMenschlich!
DavidHume,EineUntersuchungu¨berdenmenschlichenVerstand
Es fu¨hrt zu nichts, die Ersten Prinzipen ”durchschauen” zu wollen. Wenn man durch alles hindurch-
schaut, dann ist alles durchsichtig. Aber eine vo¨llig durchsichtige Welt ist unsichtbar geworden. Wer
allesduchschaut,siehtnichtsmehr.
C.S.Lewis,DieAbschaffungdesMenschen
ZUSAMMENFASSUNG
In dieser Arbeit werden Daten analysiert, die mit dem ALICE-Detektor (A Large
IonColliderExperiment)amLargeHadronCollider(LHC)genommenwurden.Die
Eigenschaftenunddiea¨ußerstguteLeistungsfa¨higkeitdesLHChabenesermo¨glicht,
Daten von Proton-Proton (pp) Kollisionen in den letzten drei Jahren bei verschiede-
nenSchwerpunktsenergien(0.9TeV,2.36TeV,2.76TeV,7TeVund8TeV)zugewin-
nen. Dazu wurden in zwei der drei Jahre auch Blei–Blei (Pb–Pb) Kollisionen bei
√
s =2.76TeVdurchgefu¨hrtundvorkurzemeinPilot-LaufmitProton-Blei(pPb)
NN √
Kollisionen bei s =5.01TeV, der im Januar/Februar diesen Jahres durch einen
NN
vollenLaufvervollsta¨ndigtwird.
Die hohen Energien bei gleichzeitig geringem baryochemischen Potential (µ ≈0)
B
derPb–PbKollisionenamLHCerlaubendieProduktionvonStrangeness,Charmund
Bottom Quarks in bisher unerreichter Anzahl. Die entweder in der urspru¨nglichen
harten Kollision (Charm und Bottom) oder im Quark-Gluon Plasma entstandenen
Quarks werden beim Abku¨hlen des Feuerballs in Hadronen oder auch leichten Ker-
nen(biszuA=5)eingebaut.DieProduktionswahrscheinlichkeitnimmtmitderMasse
des produzierten Teilchens ab. Aber die hohe Zahl der Strangeness Quarks erlaubt
Studien von (Anti-)Hyperkernen wie etwa dem (Anti-)Hypertriton 3H (3H). Da
Λ Λ
solcheKerneinSchwerionenkollisionennachweislichproduziertwerden,sollteauch
das 1977 postulierte H-Dibaryon nachweisbar sein. Das H-Dibaryon ist ein hypo-
thetischer gebundener Zustand von sechs Quarks (uuddss). Die Suche nach dem H-
Dibaryon am LHC mit dem ALICE Apparat bildet den zentralen Teil dieser Arbeit.
Das Teilchen wurde nicht gefunden und eine obere Grenze wurde gesetzt. Genauso
wurdenacheinemgebundenenZustanddesΛ-TeilchensmiteinemNeutrongesucht.
Auch dieses Teilchen wurde nicht gefunden und eine obere Grenze fu¨r die Produk-
tionbestimmt.
Das thermische Modell beschreibt die Teilchenproduktion von allen gemessenen
Teilchensorten an vorhergegangenen Experimenten, bei verschiedenen Energien,
ziemlich gut. Dieses Modell und das Koaleszenz-Modell machen Vorhersagen fu¨r
dieProduktionamLHC.DerVergleichzwischendemExperimentunddenModellen
fu¨hrt zu einer Diskrepanz von einem Faktor von 10, den die obere Grenze niedriger
liegtalsdieModelle.
DiesesResultatstelltdieExistenzdieserbeidenTeilcheninFrage.
Ein anderer Teil dieser Arbeit bescha¨ftigt sich mit der Produktion von seltsamen
Baryonen,insbesonderederResonanzΛ(1520)inppDaten,diebei7TeVgenommen
wurden.DabeiwirddieMasse,dieBreiteunddieHa¨ufigkeit p abha¨ngiganalysiert.
t
Das so gewonnene Spektrum muss bezu¨glich der Akzeptanz und Effizienz des De-
tektorskorrigiertwerden,umdieProduktionsha¨ufigkeitdN/dydesΛ(1520)Teilchens
zubestimmen.DiesewirdmitderProduktionsha¨ufigkeitdesΛ-Hyperonsverglichen.
DarausfolgteineguteU¨bereinstimmungderΛ(1520)ProduktionrelativzurProduk-
tiondesΛ-HyperonsinvorausgegangenenExperimentenNA49undSTAR.
ABSTRACT
WithinthisworkdataareanalysedwhichhavebeentakenwiththeALICEapparatus
(ALargeIonColliderExperiment)attheLargeHadronCollider(LHC).Theunique
propertiesandtheexcellentperformanceoftheLHCmadeitpossibletotakedatafor
proton-protoncollisions(pp)inthelastthreeyearsatseveralcenter-of-massenergies
(0.9TeV,2.36TeV,2.76TeV,7TeVand8TeV).Itwasfurtherpossibletoaquiredata
√
in two of the three years of lead–lead collisions (Pb–Pb) at s = 2.76TeV and
√ NN
recently a short pilot run of proton–lead collisions (pPb) at s =5.01TeV was
NN
recorded.ItwillbecontinuedasafullruninJanuary/Februarythisyear.
The high energies and at the same time low baryo-chemical potential (µ ≈ 0) in
B
Pb–PbcollisionsattheLHCallowtheproductionofstrangeness,charmandbottom
quarksinuptonowunseenquantities.Theparticlescreated,eitherintheinitialhard
collision(charmandbottom)orinthequark-gluonplasma,endupinhadronsorlight
nuclei(uptoA=5)inthecool-downphaseofthefireball.Theproductionprobability
of particles decreases while its mass is increasing. But the huge amount of strange
quarksproducedallowsthestudyof(anti-)hypernuclei,likethe(anti-)hypertriton3H
Λ
(3H).Sincesuchparticlesaremeasuredinheavy-ioncollisionsitshouldbepossible
Λ
toalsomeasureparticlesliketheH-Dibaryon,predictedin1977.TheH-Dibaryonis
ahypotheticalboundstateofsixquarks(uuddss).ThesearchfortheH-Dibaryonat
theLHCwiththeALICEapparatusisthemaincontentofthiswork.Theparticlewas
not observed and an upper limit has been set. Another search for a bound state of a
Λparticleandaneutronwasalsoperformed.Thisparticlewasalsonotobservedand
anupperlimitfortheproductionyieldwasestimated.
Thethermalmodeldescribestheproductionofallparticlespeciesinpreviouslyper-
formed experiments, at different energies, quite reasonably. This model and the co-
alescence model make predictions for the particle production at LHC energies. The
comparisonbetweenexperimentalresultandthesemodelpredictionsleadtoafactor
ofaround10whichtheupperlimitisbelowtheexpectedyields.
Thisresultquestionstheexistenceoftheseparticles.
Another part of this thesis is dealing with the production of strange baryons, espe-
cially the baryonic resonance Λ(1520) in pp collisions at 7TeV. Here the focus was
tomeasuremass,widthandyield p dependent.The p spectrumhastobecorrected
t t
fortheacceptanceandefficiencyofthedetector,tomeasuretheyieldperrapidityunit
dN/dy of the Λ(1520). This is compared to the yield of the Λ hyperon. This shows
goodagreementwiththevaluesmeasuredinthepreviousexperimentsNA49atSPS
andSTARatRHIC.
I
Contents
ListofFigures VI
ListofTables VII
1 Introduction 1
1.1 QuantumChromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Quark-GluonPlasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Exotica 13
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 H-Dibaryon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 ProductionModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 ALICE 24
3.1 ALICEapparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 Strangebaryons 34
4.1 Λparticle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2 Λreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Ξ− andΣ(1385)signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Σ0 measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 Λ(1520)measurement 40
6 Exoticasearches 52
6.1 Analysisof p,K,π andBlast-Wavefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 Lightnuclei(deuterons(d)andhelium-3(3He)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Hypernuclei:hypertriton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4 H-Dibaryon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.5 Λnboundstate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7 Discussion 71
8 ConclusionandOutlook 73
Appendix 74
A Armenteros-Podolanski 75
II
B Λ(1520)branchingratio 77
Bibliography 78
III
List of Figures
1.1 Summaryofmeasurementsofα asafunctionoftheenergyscaleQ.Figuretakenfrom
s
[PDG12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 ThermalfitforallmeasuredparticlespeciesatRHIC(left)andforthecurrentlyavailable
ALICEdataatLHC(right),from[AND12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Average R of D mesons in the 0-20 % centrality class compared to the nuclear
AA
modification factors of charged particles [ABE12a] and non-prompt J/ψ from B de-
cays[CHA12]inthesamecentralityclass.Takenfrom[ABE12b]. . . . . . . . . . . . . 8
1.4 LeadingorderFeynmandiagramsforstrangenessproduction. . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Yields of strange particles (Λ, Ξ− and Ω−) compared to the yields measured in pp, re-
spectivelyinpBe;thecorrepondingantiparticlesareonlyshownforexperimentsatlower
energies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Ratios of resonances to stable particles measured by the STAR Collaboration versus
chargedparticlesperrapidityunit(dN /dy)andpredictionsfromthethermalmodeland
ch
UrQMD.Figuretakenfrom[ABE05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 ”Columbia plot”: landscape of the possible phase transition order depending on the
light quark masses (u, d) on the x-axis and the strange quark mass on the y-axis, taken
from[FUK11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Lattice QCD results for the binding energy of the H-Dibaryon depending on the kaon
andthepionmassfromtheHAL(reddots)andtheNPL(greentriangles)collaborations.
Figurefrom[INO12],basedon[HAL11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 PossibleH-Dibaryonlifetimesdependingontheirmass,takenfrom[DON86]. . . . . . . 17
2.3 Possible mass regions of the H-Dibaryon and the connected lifetimes, branching ratios
respectively.Thedifferentthresholdsareindicatedbythedashedlines.Figuretakenfrom
[CRA98]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Theoretical calculation of the branching ratios depending on the binding energy of the
ΛΛboundstatefordifferentdecaychannels,takenfrom[JSB00]. . . . . . . . . . . . . 19
2.5 dN/dy prediction for most central events from the statistical hadronization model for
√
Pb–Pbcollisionsat s =2.76TeV,from[AND12a]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
NN
3.1 LHCacceleratorcomplex[LHC08]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 SchematicviewoftheALICEsetup[AAM08]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 ITSspecificenergylossversusparticlemomentum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 SchematicviewoftheALICETPC[ALM10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 TPCdE/dxperformanceversusmomentum p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
√
3.6 MeasuredTRDsignalsforpionsandelectronsinppcollisionsat s=7TeVcompared
withtestbeamdata(left).TPCdE/dxsignalinnumberofσsforexpectedelectronswith
andwithoututilisationoftheTRD(right).Bothat p=2GeV/c. . . . . . . . . . . . . . 29
IV
3.7 TheTRDelectronicsprocesschain,takenfrom[AAM08]. . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.8 SchematicviewoftheTRDpretriggersetup.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.9 TOFβ versus p,theclearseparationofhadronsisvisible. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.10 DifferentcentralityclassesfromthemeasureddistributionoftheVZEROamplitude. . . 33
4.1 DifferentbackgroundsourcesofthereconstructedΛinvariantmassfromaMonteCarlo
simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Armenteros-Podolanskiplot,wheretheellipsesforΛ,ΛandK0 arevisible. . . . . . . . 36
√ s
4.3 ReconstructedΛsinppcollisionsat s=7TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Invariant mass of Λ+π−, showing the Ξ− at 1.319GeV/c2 and the Σ(1385) as a broad
structurewiththemeanat1.385GeV/c2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.5 Invariant mass of γ →e+e−. The peaks at around 150MeV/c2 and 275MeV/c2 come
fromwronglyidentifiedprotonsandpionsandcorrespondingtoleftoverΛandK0 sig-
s
nal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.6 InvariantmassofΛγ.Thepeakat1.193GeV/c2 correspondstotheΣ0. . . . . . . . . . . 39
5.1 DecaytopologyofΛ(1520)→ pK−. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 Different combinations of particle identification methods for the invariant mass recon-
structionof pK−. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
√ √
5.3 Invariant mass distribution for the Λ(1520) to pK− at s=900GeV (left) and s=
2.76TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4 Example p -binfortheinvariantmassof pK−fromthesameevent(black)andformixed
t
events(red). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5 Invariant mass distribution for an example p -bin after mixed event subtraction for
t
Λ(1520)decayingto pK−.TheBreit-Wignerfitisshowninviolet. . . . . . . . . . . . . 44
5.6 The16different p -binsfortheinvariantmassof pK−. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
t
5.7 The16different p -binsfortheinvariantmassof pK+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
t
5.8 Invariant mass of pK− after mixed event subtraction. The 16 different p -bins are fitted
t
withaBreit-Wigner(purple)ontopofathird-orderpolynomial(red). . . . . . . . . . . 47
5.9 Invariant mass of pK+ after mixed event subtraction. The 16 different p -bins are fitted
t
withaBreit-Wigner(purple)ontopofathird-orderpolynomial(red). . . . . . . . . . . 48
5.10 ExtractedrawyieldsfortheΛ(1520). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.11 Acceptance×efficiencyversus p for pK−. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
t
5.12 Ratiooftheacceptance×efficiencyforΛ(1520)toΛ(1520). . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.13 ExtractedBreit-WignermeanfortheΛ(1520). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.14 ExtractedBreit-WignerwidthfortheΛ(1520). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.15 p spectrumforΛ(1520)(onlystatisticalerrors)andaLe´vy-Tsallisfit. . . . . . . . . . . 51
t
5.16 p spectrumforΛ(1520)(onlystatisticalerrors)andaLe´vy-Tsallisfit. . . . . . . . . . . 51
t
6.1 Blast-wave fit with a common parameter set to pion, kaon, and proton (π, K, p) spectra
simultaneouslyinthe0-5%centralityclass.From[SCH12]. . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 Resulting fit contours (1σ) for the kinetic freeze-out temperature and velocity for dif-
ferent centrality bins compared with the results of a similar analysis of RHIC data.
From[SCH12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3 Thespecificenergylossasfunctionofrigidityfordeuteronsandhelium-3. . . . . . . . . 54
6.4 DCA fortwodifferentDCA cutsfordeuterons(left)andanti-deuterons(right). . . . 55
XY Z