Measurement of the Charged-Particle Multiplicity in Proton–Proton Collisions with the ALICE Detector

251 Pages·2009·5.49 MB·English

Experimentelle Physik
Measurement of the
Charged-Particle Multiplicity
in Proton–Proton Collisions
with the ALICE Detector
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften im Fachbereich Physik
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Westf¨alischen Wilhelms-Universit¨at Mu¨nster
vorgelegt von
Jan Fiete Große-Oetringhaus
aus Herdecke
— 2009 —
Dekan: Prof. Dr. Johannes P. Wessels
Erster Gutachter: Prof. Dr. Johannes P. Wessels
Zweiter Gutachter: Dr. Karel Sˇafaˇr´ık
Tag der Disputation: 17.04.09
Tag der Promotion: 17.04.09
For my parents, Conny and Hajo,
and for Mareike

“I am more sure of the conclusions than of any
single argument which suggested them to me.”
Richard P. Feynman, 1969 [Fey69]

Contents
Introduction 11
1 Theoretical Framework 13
1.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 The Quark–Gluon Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 High-Energy Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Physics Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 The Quark–Gluon String Model and the Dual Parton Model . . . . . . 24
1.5 Event Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.5.1 Pythia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.2 Phojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.3 Comparison of Pythia and Phojet Predictions with UA5 Data . 36
1.6 Charged-Particle Multiplicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.1 Feynman Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.6.2 Koba–Nielsen–Olesen (KNO) Scaling . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.6.3 Negative Binomial Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.6.4 Two-Component Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Multiplicity Measurements at Energies Below the LHC Energy 47
2.1 ISR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 Spp¯S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3 Tevatron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 Summary and Critical Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3 The Large Hadron Collider 61
3.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Startup and Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Collision Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 The ALICE Detector 67
4.1 The Central Barrel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 The Inner Tracking System (ITS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2 The Time-Projection Chamber (TPC) . . . . . . . . . . . . . . 72
7
8 CONTENTS
4.1.3 The Transition-Radiation Detector (TRD) . . . . . . . . . . . . 74
4.1.4 The Time-Of-Flight Detector (TOF) . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.5 The Photon Spectrometer (PHOS) . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.6 The ElectroMagnetic Calorimeter (EMCal) . . . . . . . . . . . . 76
4.1.7 The High-Momentum Particle Identification Detector (HMPID) 76
4.1.8 The ALICE Cosmic Ray Detector (ACORDE) . . . . . . . . . . 77
4.2 Forward Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.1 The Photon Multiplicity Detector (PMD) . . . . . . . . . . . . 77
4.2.2 The Forward Multiplicity Detector (FMD) . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3 The V0 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.4 The T0 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.5 The Zero-Degree Calorimeter (ZDC) . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 The MUON Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 The Data Acquisition (DAQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5 The ALICE Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.1 The Central Trigger Processor (CTP) . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.2 The High-Level Trigger (HLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6 The ALICE Offline Software Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6.1 Dataflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6.2 The AliEn Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6.3 The AliRoot Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6.4 The CERN Analysis Facility (CAF) . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.7 ALICE Startup Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.7.1 Alignment Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Event and Track Selection 95
5.1 Minimum-Bias Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.1 Trigger Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.2 Bunch-Crossing Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Primary-Particle Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Tracklet and Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4.1 SPD-Tracklet Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4.2 TPC-Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 Datasets Used in this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6 Pseudorapidity-Density Measurement 111
6.1 Procedure Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.1 Correction Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.2 Track-to-Particle Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.3 Vertex-Reconstruction Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
CONTENTS 9
6.2.4 Trigger-Bias Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.5 Low-Momentum Cut-Off Correction . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.6 Estimation of the Required Simulated Data . . . . . . . . . . . 130
6.3 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3.1 Cross-sections of Physics Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.2 Particle Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3.3 p Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
T
6.3.4 Event-Generator Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.5 Beam-Gas and Beam-Halo Events . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.6 Pile-Up Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.7 Material Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3.8 Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3.9 Tracklet and Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3.10 Summary of the Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . 149
6.4 Towards the Corrected dN /dη Distribution . . . . . . . . . . . . . . . 150
ch
6.4.1 Event and Track Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.2 Pseudorapidity Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7 Multiplicity Distribution Measurement 153
7.1 Procedure Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.1 Detector Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.2 Unfolding by χ2-Minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2.3 Bayesian Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2.4 Trigger-Bias and Vertex-Reconstruction Correction . . . . . . . 165
7.3 Evaluation of the Unfolding Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3.1 Performance Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3.2 χ2-Minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.3 Bayesian Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.3.4 Comparison of χ2-Minimization and Bayesian Unfolding . . . . 175
7.3.5 Sensitivity to Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.1 Characterization of a Systematic Uncertainty . . . . . . . . . . 178
7.4.2 Uncertainty of the Unfolding Methods . . . . . . . . . . . . . . 180
7.4.3 Cross-sections of Physics Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.4.4 Particle Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.4.5 p Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
T
7.4.6 Event-Generator Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4.7 Beam-Gas and Beam-Halo Events . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4.8 Pile-Up Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
10 CONTENTS
7.4.9 Material Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.4.10 Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.4.11 Tracklet Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.4.12 Summary of the Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . 190
7.5 Towards the Corrected Multiplicity Distribution . . . . . . . . . . . . . 191
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8 Predictions for LHC Energies 193
8.1 Quark–Gluon String Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.2 Pythia and Phojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.3 Two-Component Approach with NBDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.4 Multiple-Parton Interaction Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.5 Trends in Multiple-Particle Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Summary 201
Zusammenfassung 203
A Kinematic Variables 207
B The ALICE Coordinate System 209
C Normalized DCA Cut (Nσ-cut) 211
D The Shuttle Framework 213
D.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
D.1.1 The Shuttle Core Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
D.1.2 Basic Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
D.1.3 Shuttle Status and Error Recovering . . . . . . . . . . . . . . . 223
D.1.4 MonALISA Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
D.1.5 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D.2 The TestShuttle Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Bibliography 231
List of Acronyms 243
List of Figures 245
List of Tables 248
Acknowledgements 249