Performance of the ALICE muon spectrometer. Weak boson production and measurement in heavy ...

204 Pages·2007·15.17 MB·English

UNIVERSITE´ DENANTES
FACULTE´ DESSCIENCESETTECHNIQUES
————-
E´COLEDOCTORALE
SCIENCESETTECHNOLOGIESDEL’INFORMATIONETDESMATE´RIAUX
N◦attribue´parlabibliothe`que
Anne´e: 2007
Performance of the ALICE muon spectrometer.
Weak boson production and measurement in
heavy-ion collisions at LHC.
THE`SEDEDOCTORAT
Discipline: PhysiqueNucle`aire
Spe´cialite´ : PhysiquedesIonsLourds
Pre´sente´eetsoutenuepubliquementpar
ZaidaCONESADELVALLE
Le12juillet2007,devantlejuryci-dessous
Pre´sident K.WERNER,Professeur,Universite´deNantes,SUBATECH,Nantes
Rapporteurs E.VERCELLIN,Professeur,UniversitadegliStudidiTorino,Torino
D.G.-D’ENTERRIAADAN,Charge´derecherche,CERN,Gene`ve
Examinateurs E.AUGE,Professeur,Universite´Paris-SudXI,LAL,Orsay
H.BOREL,Inge´nieurderecherche,CEA,Saclay
Directeursdethe`se: G.MARTINEZGARCIA,Charge´derecherche,CNRS,SUBATECHNantes
F.FERNANDEZMORENO,Professeur,UniversitatAuto`nomadeBarcelona
N◦ED366-312

Performance du spectrome`tre a` muons d’ALICE.
Production et mesure des bosons faibles dans des
collisions d’ions lourds aupre`s du LHC.
——————–
Performance of the ALICE muon spectrometer. Weak boson
production and measurement in heavy-ion collisions at LHC.
ZaidaCONESADELVALLE
SUBATECH,Nantes(France),2007

Performance of the ALICE muon spectrometer. Weak
boson production and measurement in heavy-ion
collisions at LHC.
TESISDOCTORAL
Zaida Conesa del Valle
Directorsdetesis:
Gine´sMart´ınezGarc´ıa,SUBATECHNantes
FranciscoFerna´ndezMoreno,UniversitatAuto`nomadeBarcelona
GrupdeF´ısicadelesRadiacions,Bellaterra(Spain),2007

Contents
Acknowledgements xi
Abstract xiii
I Introduction 1
1 StudyingtheQuarkGluonPlasmainHeavyIonCollisions 3
1.1 FromtheStandardModeltotheQuarkGluonPlasma . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 StandardModelandQuantumChromoDynamics . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 LatticeQCDcalculations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 ProbingtheQuarkGluonPlasmainHeavy-IonCollisions . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 FromAGS&SPStoRHICandLHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Signatures: experimentalobservables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 HighlightsfromtheSPSHeavy-Ionprogram . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.4 RHICresultsinanutshell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Heavyquarksandquarkonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Qualitativeformationanddecaytimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Quarkoniaproductioninnucleon-nucleoncollisions . . . . . . . . . . 18
1.3.3 Productioninap-Acollisions: coldnucleareffects . . . . . . . . . . . . 19
1.3.4 ProductioninA-Bcollisions: hotnucleareffects . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.5 Charmoniumdatainterpretation: remarks . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.6 NovelaspectsofheavyflavorphysicsatLHC . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Weakbosonsinhadron-hadroncollisions 25
2.1 Qualitativeformationanddecaytimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 WhyshouldwestudyweakbosonsatLHC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Basicsoftheelectroweaktheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Historicaloutline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
vii
Contents
2.3.2 Introductiontotheelectroweaktheoreticalformalism . . . . . . . . . . 28
2.3.3 Particularitiesoftheweakinteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
II Experimentalapparatus 33
3 TheExperiment 35
3.1 TheLargeHadronCollider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Thebeamtravelroad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 TheALICEDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Globaldetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 CentralBarrel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 MuonSpectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Performanceofthemuonspectrometer: J/Ψandhigh-p muonmeasurements 59
T
4.1 Physicsmotivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Basicsoftrackreconstructionwiththemuonspectrometer . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Triggerdecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Reconstructionalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.3 Sourcesofinefficiencyandvariouscontributionstomomentaresolution 64
4.3 Acceptancedetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.1 TheJ/Ψacceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Globalefficiencyevaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Unfoldingtheefficiencywithaniterativemethod . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2 Resultsondimuonpairs: theJ/Ψcase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.3 Resultsonsinglemuons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 Factorizedefficiencyapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5.1 Efficiencyfactorizationinthemuonspectrometer . . . . . . . . . . . . 83
4.5.2 Resultsondimuonpairs: theJ/Ψcase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.3 Intrinsictrackingchambersefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.4 Resultsonsinglemuons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.6 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
III Weakbosonproduction 91
5 WeakbosonproductionattheLHC 93
5.1 GenerationofweakbosonsatLHCenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.1 Productionphysicsprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.2 GenerationwithPYTHIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 ResultsonWbosonproductionatLHCenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.1 Proton-protoncollisionsat14TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.2 Lead-leadcollisionsat5.5TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.3 Proton-leadcollisionsat8.8TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
viii
Contents
5.3 ResultsofZbosonproductionatLHCenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.1 Proton-protoncollisionsat14TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.2 Lead-leadcollisionsat5.5TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3.3 Preliminarystudiesinargon-argoncollisionsat6.3TeV . . . . . . . . . 114
5.4 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Weakbosonmeasurementwiththemuonspectrometer 117
6.1 MuonsourcesatLHCenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.1 WandZbosonsdecays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.1.2 Beautyandcharmmuonicdecays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.1.3 Hadronicdecayscontribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.4 Drell-Yancontribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2 Singlemuonp distributioninhadron-hadroncollisions . . . . . . . . . . . . 122
T
6.2.1 Singlemuonmeasurementwiththemuonspectrometer . . . . . . . . 125
6.2.2 Muontriggerconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 PreliminaryresultsonZmeasurementfeasibility . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
IV Discussion 135
7 ProbinghotanddenseQCDmatterwithhigh-p muonsattheLHC 137
T
7.1 Weakbosonversusheavyquarkproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1.1 Productionmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.1.2 Nuclearpartondistributionfunctions: nuclearshadowing . . . . . . . 138
7.2 Introductiontothetheoreticaltreatmentofheavyquarkenergyloss . . . . . . 139
7.2.1 QCDfactorizationtheorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.2.2 Mediuminducedgluonradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3 Arehigh-p muonsaffectedbythepresenceofathermalmedium? . . . . . . 143
T
7.4 TheWreferenceforhigh-p singlemuonsuppression . . . . . . . . . . . . . . 145
T
7.4.1 Nuclearmodificationfactor: R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
AA
7.4.2 Centralversusperipheralnuclearmodificationfactor: R . . . . . . 150
CP
7.4.3 Muonyieldratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.5 Outlook: Zbosonsinheavyioncollisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.5.1 Zbeautydecaychannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.5.2 Zradiativedecays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Conclusions 155
A Commonlyusedabbreviations 157
ix
Contents
B Thefrontabsorberinfluenceonthemeasuredtrack 159
B.1 Energyloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
B.2 Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
B.3 MultipleCoulombscattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
C ParityviolationonWdecays 163
D Centralitydetermination: theGlaubermodel 165
D.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
D.2 Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
D.2.1 Proton-nucleus(p-A)collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
D.2.2 Nuclei-nuclei(A-B)collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
D.2.3 ”Hard”collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
D.2.4 Centralitydependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Bibliography 177
Index 187
x