Producción de núcleos de deuterio y antideuterio en el experimento ALICE del LHC

192 Pages·2014·5.88 MB·Spanish

by  Eulogio Serradilla

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear

TESIS DOCTORAL

Producción de núcleos de deuterio y antideuterio en el experimento
Alice del LHC

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

Eulogio Serradilla Rodríguez

Directores

Arturo Alejandro Menchaca Rocha
Pedro Jorge Ladrón de Guevara Montero

Madrid, 2014

© Eulogio Serradilla Rodríguez, 2014
Produccio´n de nu´cleos de deuterio y
antideuterio en el experimento ALICE del LHC
memoria para optar al grado de doctor
presentada por
Eulogio Serradilla Rodr´ıguez
bajo la direccio´n de los doctores
Arturo Alejandro Menchaca Rocha
Pedro Jorge Ladro´n de Guevara Montero
Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas
Instituto de F´ısica, Universidad Nacional Aut´onoma de M´exico
Departamento de F´ısica Ato´mica, Molecular y Nuclear
Facultad de Ciencias F´ısicas
Universidad Complutense de Madrid
Noviembre 2013

El Dr. Arturo Alejandro Menchaca Rocha, Investigador Titular del Instituto de
F´ısica de la Universidad Nacional Aut´onoma de M´exico (IFUNAM), y el Dr. Pedro
Jorge Ladr´on de Guevara Montero, Investigador Titular del Centro de Investigaciones
Energ´eticas, Medioambientales y Tecnolo´gicas (CIEMAT)
CERTIFICAN:
Que la presente tesis titulada“Produccio´n de nu´cleos de deuterio y antideuterio en el
experimento ALICE del LHC”ha sido realizada por D. Eulogio Serradilla Rodr´ıguez
bajo su direccio´n en el departamento de F´ısica Ato´mica, Molecular y Nuclear de la
Facultad de F´ısicas de la Universidad Complutense de Madrid, para optar al grado
de Doctor en Ciencias F´ısicas.
Y para que as´ı conste, en cumplimiento de la legislacio´n vigente, firman el presente
certificado en Madrid a 8 de Noviembre de 2013,
Fdo.: Dr. Arturo Alejandro Menchaca Rocha
Fdo.: Dr. Pedro Jorge Ladr´on de Guevara Montero

Agradecimientos
A los directores de tesis el Dr. Arturo Alejandro Menchaca Rocha y el Dr. Pedro
Jorge Ladro´n de Guevara Montero. Al Dr. Jurgen Schukraft por su ayuda en la
interpretacio´n de los resultados en las reuniones de ALICE. Al Dr. Peter Christiansen
y a todo el grupo de ana´lisis“spectra”, a la Dra. Ana Mar´ıa Mar´ın y al grupo de
an´alisis de fotones, a toda la colaboraci´on de ALICE, y al Ciemat y al proyecto
SEP-CONACYT 131877 por la financiacio´n parcial del trabajo.
Alacolaboracio´ndeAMSyalDr.AndreasMorschporsuayudaenlaimplementacio´n
del transporte de los antideuterones, y tambi´en a los centros de ca´lculo del CETA-
Ciemat, Madrid-Ciemat y al Instituto de F´ısica de la UNAM por permitir realizar
un gran nu´mero de simulaciones.
Yporu´ltimo,amuchasotraspersonasquedemaneradirectaoindirectacontribuyeron
a hacer posible la elaboracio´n de este trabajo y que no han sido mencionadas
expl´ıcitamente.

´
Indice general
´Indice de figuras vii
´Indice de tablas xiii
1. Introducci´on 1
1.1. Modelo de coalescencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Aproximacio´n esf´erica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. Modelos termodina´micos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3. Coalescencia y flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4. Nu´cleos y antinu´cleos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2. Modelos termodin´amicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1. Modelo de hadronizacio´n estad´ıstico . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2. Distribuci´on de Boltzmann-Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3. Distribuci´on de Tsallis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4. Onda de choque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.5. Comparacio´n de los distintos modelos . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3. Medidas anteriores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1. Secci´on eficaz diferencial invariante . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2. Par´ametro de coalescencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Disen˜o experimental 15
2.1. El LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. El detector ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
i
2.2.1. El detector de v´ertices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2. La c´amara de proyeccio´n temporal . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3. El detector de tiempo de vuelo . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4. Otros detectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5. Sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.6. El sistema de disparadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.7. Reconstrucci´on de sucesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3. Modelo computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1. Requisitos computacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2. El modelo distribuido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3. AliEn y MonALISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4. AliRoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3. Simulaciones 31
3.1. Gratinador de deuterones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1. Momento relativo en el CM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.2. Estimacio´n de p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
0
3.1.3. Comparacio´n con datos experimentales . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.4. Aproximacio´n esf´erica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2. Paso a trav´es del detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1. P´erdida de energ´ıa por ionizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2. Interacciones nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2.1. Parametrizaci´on de la secciones eficaces . . . . . . . 41
3.2.2.2. Deuterones y antideuterones . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2.3. Nu´cleos de 3He y part´ıculas α . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3. Otras aproximaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
ii
4. Identificacio´n 51
4.1. P´erdida de energ´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2. Tiempo de vuelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3. Inferencia bayesiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1. Probabilidades a priori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2. Funciones de verosimilitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3. Combinaci´on de los detectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4. Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5. An´alisis de los datos 65
5.1. Datos experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2. Seleccio´n de sucesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1. Disparador de sesgo m´ınimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.2. Disparador de multiplicidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.3. V´ertice de colisio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3. Seleccio´n de trazas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4. Correcciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4.1. Correccio´n del momento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4.2. Trazas secundarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4.2.1. (Anti)protones secundarios . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4.2.2. Deuterones secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.3. Eficiencia de reconstrucci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.3.1. Disparador y v´ertice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.3.2. Aceptancia y reconstruccio´n de trazas . . . . . . . . 80
6. Errores sistem´aticos 83
6.1. Identificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2. Deuterones secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3. Eficiencia de reconstruccio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
iii