Path length dependence of jet quenching measured with ALICE at the LHC

164 Pages·2016·12.04 MB·English

by  Redmer Alexander Bertens

Path length dependence of jet quenching
measured with ALICE at the LHC
Redmer Alexander Bertens
A catalogue record is available from Utrecht University Library
ISBN: 978–90–393–6651–6
Copyright (cid:13)c 2016 by R. A. Bertens
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Path length dependence of jet quenching
measured with ALICE at the LHC
Padlengte afhankelijkheid van jet onderdrukking
gemeten met ALICE bij de LHC
(met een samenvatting in het Nederlands)
Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Utrecht op gezag van de rector
magnificus, prof. dr. G. J. van der Zwaan, ingevolge het besluit van het college voor promoties
in het openbaar te verdedigen op maandag 31 oktober 2016 des ochtends te 12.45 uur
door
Redmer Alexander Bertens
geboren op 10 januari 1985
te Zeist
Promotor: Prof. dr. R. J. M. Snellings
Copromotor: Dr. ir. M. van Leeuwen
– Johann Sebastian Bach, from BWV 564,2 – Adagio C-dur (1712?)

Contents
Prolegomena 11
I Introduction and theory 13
1 A brief introduction 15
1.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 The Quark-Gluon Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Parton energy loss 21
2.1 QGP formation in heavy-ion collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 Tomography: studying the QGP via parton energy loss . . . . . . . . . . 21
2.2 Energy loss mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Collisional energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Radiative energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Modeling the medium: initial geometry and hydrodynamics . . . . . . . . 28
2.2.3.1 The Glauber Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Experimental signatures of parton energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Extracting transport coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 A broader context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Flow: quantifying azimuthal anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 v and insights from viscous hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
n
2.4.3 Shear viscosity and parton energy loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.1 Path-length dependence of energy loss : vch jet . . . . . . . . . . . . . . . 40
2
II Experiment and analysis 41
3 Experimental setup 43
3.1 CERN accelerator complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 ITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 TPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3 V0 system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7
3.2.4 EMCal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Data sample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 Centrality determination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Event and track selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Monte Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1 HIJING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 PYTHIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.3 GEANT3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 The analysis within the AliROOT framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Data analysis 55
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Jet finding and selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Jet finding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.2 Collinear and infrared safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.3 Background subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.4 Jet selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 Event plane angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 V0 calibration and event plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.1.1 Gain equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1.2 Q-vector recentering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1.3 Q-vector combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 Bias of di-jet systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.3 Event plane resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 The underlying event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.1 Anisotropic flow of the underlying event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.2 Subtracted flow harmonics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.3 The δp distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
T
4.4.3.1 η dependence of random cone energy . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5 Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.1 The detector response matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.2 Background fluctuations matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.3 Combined response matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.3.1 p ranges of measured and unfolded jet spectra . . . . . . . . . 77
T
4.5.4 Regularized unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5.4.1 χ2 unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5.4.2 Singular Value Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Closure tests 85
5.1 Thermal model studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1 Event generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 Results: vch jet in the presence of hydrodynamic flow . . . . . . . . . . . . 88
2
5.1.2.1 Using unfolding for subtraction of v . . . . . . . . . . . . . . . 89
n
5.1.2.2 Non-zero vch jet in the presence of hydrodynamic flow . . . . . . 90
2
5.2 Embedding studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.1 Embedding and matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 Results: vch jet of embedded jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2
6 Systematic uncertainties 95
6.1 Propagation of uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1.1 Resampling and interference from statistical uncertainties . . . . . . . . . 96
6.2 Nominal measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1 Jet definitions and kinematic ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.2 Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.1 Correlated uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.1.1 Tracking efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.1.2 Inclusion of combinatorial jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.2 Total correlated uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3.3 Shape uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.3.1 Unfolding uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.3.2 Sensitivity to combinatorial jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.3.3 Underlying event description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.4 Total shape uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
III Results, discussion and outlook 107
7 Results and discussion 109
7.1 Comparison to high-p v , vcalo jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
T 2 2
7.2 Some notes on significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3 Model comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8 Outlook and exploratory studies 117
8.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2 Exploratory studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.2.1 EMCal: jet triggered events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.2.2 vcalo jet in the presence of a trigger bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2
8.2.3 Expectations for 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9 Summary 125
IV Appendix 127
A Track selection and TPC non-uniformity 129
B Some notes on p-values 133
B.1 Hydrodynamic flow and the underlying event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
B.2 Significance: a short addendum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
C Event plane angles from different η intervals 139
V Miscellany 141
Synopsis 143
Samenvatting in het Nederlands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliography and Index 145
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Index and glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Dramatis Personæ 161
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Curriculum Vitæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10