production in p-Pb collisions at the LHC with the ALICE muon spectrometer

243 Pages·2017·23.45 MB·English

by  Igor Lakomov

Measurement of the J/ψ production in p-Pb collisions at
the LHC with the ALICE muon spectrometer
Igor Lakomov
To cite this version:
Igor Lakomov. Measurement of the J/ψ production in p-Pb collisions at the LHC with the ALICE
muon spectrometer. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université Paris Sud - Paris XI,
2014. English. ￿NNT: 2014PA112191￿. ￿tel-01085203￿
HAL Id: tel-01085203
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
19 septembre 2014 IPNO-14-02
Thèse
Présentée par
LAKOMOV Igor
Pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences
De l’Université Paris Sud

Mesure de la production de J/ψ
en collisions p‐Pb au LHC
avec le spectromètre à muons d'ALICE
Universite´ Paris-Sud
E´cole Doctorale 534 : Mode´lisation et Instrumentation en Physique,
E´nergies, Ge´osciences et Environnement
Laboratoire : Institut de Physique Nucle´aire d’Orsay
Discipline : Physique
The`se de doctorat
Soutenue le 19 septembre 2014 par
Igor LAKOMOV
Measurement of the J/ψ production
in p-Pb collisions at the LHC
with the ALICE muon spectrometer
Composition du jury :
Pr´esident du jury : M. Patrick ROBBE (LAL, Orsay)
Rapporteurs : M. Rapha¨el GRANIER DE (LLR, Palaiseau)
CASSAGNAC
M. Andreas MORSCH (CERN, Gen`eve)
Directeur de th`ese : M. Bruno ESPAGNON (IPNO, Orsay)
Examinateurs : M. Fran¸cois GELIS (IPhT, Saclay)
M. Christophe SUIRE (IPNO, Orsay)
IPNO-14-02
Hard probes represent one of the hottest topics of the modern high en-
ergy physics. The production mechanism of quarkonia (mesons composed of a
charm or beauty quark and its antiquark) in hadronic collisions is of particular
interest. The suppression of J/ψ and other charmonium states was predicted
as one of the first signatures of the Quark Gluon Plasma (QGP) formation and
was seen at RHIC and SPS. It was also studied at the LHC in Pb-Pb colli-
sions. However, other effects can affect the charmonium production in Pb-Pb
collisions without the presence of the QGP. These effects are inherent to the
use of nuclei and are called “Cold Nuclear Matter” (CNM) effects. They can
be studied in p-Pb collisions.
This thesis is dedicated to the studies of J/ψ production in p-Pb colli-
sions at the LHC at a center of mass energy of 5.02 TeV per nucleon pair.
J/ψ production is studied as a function of transverse momentum, rapidity
and event activity. These results represent a significant step to better un-
derstanding of the CNM effects and to the establishment of a reference for
J/ψ production in Pb-Pb collisions.
Key words: J/ψ, cold nuclear matter, ALICE, muon spectrometer, p-Pb.
Les sondes dures apparaissent comme l’un des sujets les plus excitant de
la Physique des hautes ´energies. Les m´ecanismes de production des quarko-
nia (m´esons form´es par l’´etat li´e quark-antiquark charm´e ou beau) dans les
collisions hadroniques sont particuli`erement int´eressants. La suppression du
J/ψ et des autres charmonia a ´et´e pr´edites comme l’une des signatures de la
formation du Plasma de Quark et de Gluons (PQG), suppression d´ej`a observ´ee
au SPS et au RHIC. De nombreuses ´etudes de la suppression des charmonia
ont ´egalement ´et´e men´ees au LHC.
Cependant, d’autres effets sont susceptibles de modifier la production de
charmonia sans requ´erir la formation d’un QGP. Ces effets, inh´erents aux col-
lisions impliquant des noyaux, sont appel´es effects nucl´eaires froids ou CNM
(“Cold Nuclear Matter”). Ils peuvent ˆetre ´etudi´es dans les collisions p-Pb.
Cette th`ese est dedi´eea` l’analyse de la production de J/ψ dans les collisions
p-Pb collisions a` une ´energie dans le centre de masse de 5.02 TeV par paire de
nucl´eon au LHC. La production de J/ψ est ´etudi´ee en fonction de l’impulsion
transverse, de la rapidit´e et de l’activit´e de la collision.
Cesr´esultatsapportentunecontributionsignificativedanslacompr´ehension
des effects CNM et dans l’´etablissement d’une r´ef´erence pour l’interpr´etation
de la production de J/ψ dans les collisions Pb-Pb.
Mots-cl´es: J/ψ, mati`ere nucl´eaire froide, ALICE, spectrom`etre `a muons,
p-Pb.
3
4
Contents
Acknowledgements 11
Introduction 15
1 History of the charmonium production studies in pp 17
1.1 Discovery of J/ψ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Charmonium states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Theoretical description of charmonium production . . . . . . . . 20
1.3.1 Color Evaporation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Color-Singlet Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 NRQCD factorization approach . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 Experimental results on charmonia in pp . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1 Tevatron results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.2 RHIC results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.3 LHC results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 The QGP and charmonium production in A-A 35
2.1 QGP as a new state of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Quarkonium suppression as a signature of the QGP . . . . . . . 36
2.3 Experimental measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 SPS and RHIC results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2 LHC results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Cold Nuclear Matter Effects 49
3.1 Definition of the kinematic variables . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Gluon shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Gluon saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Nuclear absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5 Coherent parton energy loss effect . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5
Contents
4 ALICE in the LHC wonderland 67
4.1 The LHC and its physics goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 ALICE subsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.1 Inner Tracking System (ITS) . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.2 Time Projection Chamber (TPC) . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.3 Transition Radiation Detector (TRD) . . . . . . . . . . . 70
4.2.4 Time Of Flight (TOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.5 High-MomentumParticleIdentificationDetector(HMPID) 72
4.2.6 PHOton Spectrometer (PHOS) . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.7 ElectroMagnetic CALorimeter (EMCAL) . . . . . . . . . 74
4.2.8 ALICE COsmic Ray DEtector (ACORDE) . . . . . . . . 74
4.2.9 Photon Multiplicity Detector (PMD) . . . . . . . . . . . 74
4.2.10 Forward Multiplicity Detector (FMD) . . . . . . . . . . . 75
4.2.11 V0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.12 T0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.13 Zero Degree Calorimeter (ZDC) . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 ALICE trigger and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 ALICE muon spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.1 System of absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.2 Dipole magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.3 The tracking system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.4 The trigger system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 p-Pb physics program preparation 87
5.1 Glauber model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Inelastic cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.2 Hard processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.3 Centrality dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2 MC generator for the J/ψ production . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3 The Glauber model inputs to the generator . . . . . . . . . . . . 93
5.4 p-Pb run set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5 Comparison of MC simulations to the pilot p-Pb run . . . . . . 95
6 p and y dependence of the J/ψ production in p-Pb 99
T
6.1 Main observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Data samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3 Event and track selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4 Signal extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 Acceptance and efficiency corrections . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6 Dimuon trigger event normalization . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6.1 Pile-up effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6.2 1st method (“naive offline method”) . . . . . . . . . . . . 110
6.6.3 2nd method (“offline method”) . . . . . . . . . . . . . . . 111
6
Contents
6.6.4 3rd method (“scalers method”) . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.6.5 Final estimation of F . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
√ norm
6.7 pp reference at s = 5.02 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.7.1 Energy interpolation for 2.5 < y < 4 . . . . . . . . . . 115
cms
6.7.2 Energy interpolation for different rapidity bins . . . . . . 116
6.7.3 Rapidity extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.8 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.8.1 Signal extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.8.2 pp reference systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.8.3 A(cid:15) systematics from the MC parametrization . . . . . . . 120
6.8.4 Tracking efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.8.5 Trigger efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.8.6 Matching efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.8.7 Normalization CINT7 - CMUL7 . . . . . . . . . . . . . . 123
6.8.8 Other systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7 Event activity and p dependence analysis 125
T
7.1 Main observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Centrality determination in ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 Centrality estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 T and N determination . . . . . . . . . . . . . . . . 127
pPb coll
7.2.3 Event activity distribution for MB events with V0A . . . 128
7.2.4 Event activity distribution for MB events with ZN . . . . 130
7.3 Contribution from pile-up events . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.1 Estimation of the fraction of pile-up events . . . . . . . . 132
7.3.2 Tagging pile-up events with multi-vertices in SPD . . . . 134
7.3.3 SPD pile-up events contribution to MB events as a func-
tion of the event activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.4 SPD pile-up events contribution to Dimuon triggered
events as a function of the event activity . . . . . . . . . 138
7.4 Analysis details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
√
7.4.1 pp reference at s = 5.02 TeV . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4.2 Signal extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.5 p distribution and < p > extraction for inclusive J/ψ . . . . . 140
T T
7.5.1 Extraction of < p > and < p2 > . . . . . . . . . . . . . 140
T T
7.5.2 SPD pile-up effect on < p > extraction . . . . . . . . . 148
T
7.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8 Results 153
8.1 p and y dependence of the J/ψ production . . . . . . . . . . . 153
T
8.1.1 Inclusive J/ψ cross section measurement . . . . . . . . . 154
8.1.2 Inclusive J/ψ nuclear modification factor . . . . . . . . . 154
8.1.3 Forward to Backward ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7
Contents
8.2 J/ψ production as a function of the event activity . . . . . . . . 165
8.2.1 Cross-section as a function of p for different event ac-
T
tivity classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2.2 The J/ψ < p > as a function of the V0A event activity. 165
T
8.2.3 The J/ψ < p > as a function of the ZN event activity . 170
T
8.2.4 QJ/ψ as a function of the event activity . . . . . . . . . . 170
pPb
8.2.5 QJ/ψ as a function of the J/ψ p for different event ac-
pPb T
tivity classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.3 Other ALICE p-Pb results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.4 From p-Pb to Pb-Pb: theory vs experiment . . . . . . . . . . . 186
Conclusions and outlooks 189
A Signal extraction of J/ψ 193
B Functions used for the signal extraction 205
B.1 CB2 function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.2 NA60 function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
B.3 NA60CB2 function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
B.4 New formulation of NA60 function . . . . . . . . . . . . . . . . 206
References 242
8
Dedicated to my mother who was dreaming of me defending this thesis more
than I was.
Посвящается моей маме, которая мечтала, чтобы я защитил эту
диссертацию больше, чем я.