Charged pion spectra at high pT in pp collisions at (roten ur) S = 900 GeV, measured by the ALICE TPC
Författare
Summary, in Swedish
Populärvetenskaplig sammanfattning
Se och tolka vid LHC
Vid partikelkollisioner omvandlas de kolliderande partiklarnas rörelse- och massenergi till nya partiklar. Den bakomliggande fysiken kan bara förstås med en kännedom om vad som har kol-liderat och vad som har producerats i kollisionen. Vid partikelacceleratorn Large Hadron Col-lider (LHC) vid CERN-laboratoriet utanför Genève, på gränsen mellan Schweiz och Frankrike, kollideras hadroner, vilka är sammansatta partiklar: de består av kvarkar och gluoner. Vid LHC har dels protoner (vätekärnor), dels fullständigt joniserade atomer av bly, blykärnor, kol-liderats. I den höga energitäthet som uppstår vid kollisioner av tunga kärnor, som bly, antas ett kvark-gluon-plasma bildas, dvs ett plasma av de partiklar hadroner består av. Detta är särskilt intressant eftersom samma tillstånd antas ha varit en fas i universums tidiga utveckling. Genom att undersöka egenskaper hos partiklar som detekteras vid sådana kollisioner kanske det går att förstå egenskaperna hos kvark-gluon-plasmat bättre. För att kunna tolka dessa egenskaper krävs också en jämförelse med proton-proton-kollisioner, där inget kvark-gluon-plasma antas kunna bildas.
Den här uppsatsen beskriver två metoder för partikelidentifiering med TPC-detektorn (Time Projection Chamber, “tidsprojektionskammare”) i ALICE-experimentet vid LHC. De bygger båda på att laddade partiklar som korsar detektorn förlorar energi, och att mängden förlorad energi beror på hur fort partikeln rör sig (och på dess laddning). I en TPC kan partikelns väg genom detektorn, energiförlust och rörelsemängd (produkten av partikelns massa m och hastighet) mätas samtidigt med stor noggrannhet. Då både rörelsemängd och energiförlust kan relateras till partikelns hastighet, kan partikelns massa bestämmas, vilket tillsammans med den elektriska laddningen är tillräckligt för att avgöra vilken partikel det är. Fokus för analysen som beskrivs är att på detta sätt identifiera pioner, kaoner och protoner.
Rörelsemängden i sig är också intressant, eftersom olika fysikaliska processer i kollisionen antas vara olika för partiklar med olika rörelsemängd. Särskilt intressant i detta avseende är den transversella komponenten (dvs den komponent som är vinkelrät mot strålens riktning). Rörelsemängd bevaras alltid till både storlek och riktning, så eftersom rörelsemängd i den här riktningen inte finns i de inkommande strålarna måste den vara resultatet av att inkommande partiklars energi fullständigt omvandlas till nya partiklar, vilkas rörelseriktning inte på förhand är given och därför med stor sannolikhet inte är exakt parallell med strålaxeln.
Av de två metoder som beskrivs är den ena för instabil för att ge tillförlitliga fysikaliska resultat. Den har dock gett viktiga insikter i en systematisk skillnad för olika partikelslag vad gäller hur energiförlusten mäts i TPCn. Dessa insikter lett till förbättringar av hur energi-förlusten beräknas för varje spår. Detta i sin tur har lett till säkrare resultat med den andra metoden, vilken ligger till grund för de resultat som slutligen presenteras: hur många laddade pioner som har producerats vid proton-proton-kollisioner vid kollisionsenergin 900 GeV vid LHC, som funktion av transversell rörelsemängd. Detta är de första sådana resultat för identi-fierade laddade pioner vid hög transversell rörelsemängd vid denna kollisionsenergi.
En jämförelse med resultat från andra analyser inom ALICE, där partikelidentifiering inte gjorts men samma data använts, visar mycket god överensstämmelse. Positivt och negativt laddade pioner är lika vanliga, vilket förväntas. En jämförelse med neutrala pioner, som detekteras på helt annorlunda sätt, stämmer också med förväntningarna, givet de systematiska osäkerheterna i de båda undersökningarna.
Se och tolka vid LHC
Vid partikelkollisioner omvandlas de kolliderande partiklarnas rörelse- och massenergi till nya partiklar. Den bakomliggande fysiken kan bara förstås med en kännedom om vad som har kol-liderat och vad som har producerats i kollisionen. Vid partikelacceleratorn Large Hadron Col-lider (LHC) vid CERN-laboratoriet utanför Genève, på gränsen mellan Schweiz och Frankrike, kollideras hadroner, vilka är sammansatta partiklar: de består av kvarkar och gluoner. Vid LHC har dels protoner (vätekärnor), dels fullständigt joniserade atomer av bly, blykärnor, kol-liderats. I den höga energitäthet som uppstår vid kollisioner av tunga kärnor, som bly, antas ett kvark-gluon-plasma bildas, dvs ett plasma av de partiklar hadroner består av. Detta är särskilt intressant eftersom samma tillstånd antas ha varit en fas i universums tidiga utveckling. Genom att undersöka egenskaper hos partiklar som detekteras vid sådana kollisioner kanske det går att förstå egenskaperna hos kvark-gluon-plasmat bättre. För att kunna tolka dessa egenskaper krävs också en jämförelse med proton-proton-kollisioner, där inget kvark-gluon-plasma antas kunna bildas.
Den här uppsatsen beskriver två metoder för partikelidentifiering med TPC-detektorn (Time Projection Chamber, “tidsprojektionskammare”) i ALICE-experimentet vid LHC. De bygger båda på att laddade partiklar som korsar detektorn förlorar energi, och att mängden förlorad energi beror på hur fort partikeln rör sig (och på dess laddning). I en TPC kan partikelns väg genom detektorn, energiförlust och rörelsemängd (produkten av partikelns massa m och hastighet) mätas samtidigt med stor noggrannhet. Då både rörelsemängd och energiförlust kan relateras till partikelns hastighet, kan partikelns massa bestämmas, vilket tillsammans med den elektriska laddningen är tillräckligt för att avgöra vilken partikel det är. Fokus för analysen som beskrivs är att på detta sätt identifiera pioner, kaoner och protoner.
Rörelsemängden i sig är också intressant, eftersom olika fysikaliska processer i kollisionen antas vara olika för partiklar med olika rörelsemängd. Särskilt intressant i detta avseende är den transversella komponenten (dvs den komponent som är vinkelrät mot strålens riktning). Rörelsemängd bevaras alltid till både storlek och riktning, så eftersom rörelsemängd i den här riktningen inte finns i de inkommande strålarna måste den vara resultatet av att inkommande partiklars energi fullständigt omvandlas till nya partiklar, vilkas rörelseriktning inte på förhand är given och därför med stor sannolikhet inte är exakt parallell med strålaxeln.
Av de två metoder som beskrivs är den ena för instabil för att ge tillförlitliga fysikaliska resultat. Den har dock gett viktiga insikter i en systematisk skillnad för olika partikelslag vad gäller hur energiförlusten mäts i TPCn. Dessa insikter lett till förbättringar av hur energi-förlusten beräknas för varje spår. Detta i sin tur har lett till säkrare resultat med den andra metoden, vilken ligger till grund för de resultat som slutligen presenteras: hur många laddade pioner som har producerats vid proton-proton-kollisioner vid kollisionsenergin 900 GeV vid LHC, som funktion av transversell rörelsemängd. Detta är de första sådana resultat för identi-fierade laddade pioner vid hög transversell rörelsemängd vid denna kollisionsenergi.
En jämförelse med resultat från andra analyser inom ALICE, där partikelidentifiering inte gjorts men samma data använts, visar mycket god överensstämmelse. Positivt och negativt laddade pioner är lika vanliga, vilket förväntas. En jämförelse med neutrala pioner, som detekteras på helt annorlunda sätt, stämmer också med förväntningarna, givet de systematiska osäkerheterna i de båda undersökningarna.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2011
Språk
Engelska
Fulltext
Dokumenttyp
Examensarbete för masterexamen (Två år)
Ämne
- Physics and Astronomy
Handledare
- Peter Christiansen