Estudio de las propiedades de jets en colisiones

Estudio de las propiedades de jets en colisiones protón – protón con ALICE Leonid Serkin Director de tesis: Dr. Guy Paic Director de tesis: Dr. Eleazar Cuautle Flores Miembro de comité tutoral: Dr. José Rubén Alfaro Molina

Contenido Introducción Jets en el experimento ALICE Algoritmos de búsqueda de jets Resultados • • • Propiedades generales de eventos p + p → Jet + X Correlación entre partículas cargadas de alto p. T Características de eventos con 2 y 3 jets Identificación de partículas líder en jets Diferencia de multiplicidades en jets inducidos por gluones y quarks Conclusiones 2

Introducción l l El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) hará colisiones de protones con energías en el centro de masa de √s = 0. 9, 10 y 14 Te. V. 8. 6 km Los protones están hechos de partones (quarks y gluones). Colisiones de interés: entre dos partones (uno de cada protón). Producción de partículas finales con altos momentos perpendiculares a la dirección del haz alto momento transverso → colisiones duras. p p Momento transverso

Jets en colisiones pp Radiación del estado final (FSR) {p , K Detector , p, n, … } Radiación del estado inicial (ISR) Jet Ha dro niz aci ón Remanentes del haz protón = (uud) protón = Remanentes del haz (uud) 4

Jets en colisiones pp Señales en el detector Jet Hadrones Proceso de fragmentación Partón primario Dispersión dura Un jet es la totalidad de las partículas o señales medidas que pueden ser directamente relacionadas con una partícula primaria de un proceso de dispersión dura. Ø Mapeo de los estados finales hadrónicos a los estados iniciales partónicos del evento. Ø Confrontación con las mediciones de jets en colisiones ion-ion, jet quenching. 5

El experimento ALICE HMPID ACORDE FMD V 0, T 0 PID (RICH) @ alto pt cósmicos multiplicidad Trigger + multiplicidad TOF PID TRD ID electrones PMD Multiplicidad g TPC Rastreo y d. Edx ITS Vértices y rastreo MUON a bajo pt Pares m PHOS g, p 0 Calorimetro EM (futuro)

Eventos analizados Eventos generados por PYTHIA (ajuste ATLAS, 4. 5 millones de eventos) y PHOJET (300. 000 eventos) con opciones de Minimum Bias a energias del LHC (√s = 0. 9, 10 y 14 Te. V), reconstruidos por GEANT 3 en los subdetectores ITS y TPC bajo el ambiente de Ali. Root en el experimento ALICE. Las trazas primarias reconstruidas por los detectores centrales de ALICE satisfacen los siguientes cortes de calidad: p. T ≥ 0. 3 Ge. V/c, η ≤ 0. 9 La identificación de partículas es llevada a cabo mediante la “asociación” de cada una de las trazas reconstruidas a su correspondiente código de la partícula identificada por el generador de eventos, lo que se podría llamar una identificación “perfecta”.

Algoritmos de búsqueda de jets • Algoritmo de tipo “cono” • Las trazas reconstruidas por los detectores ITS y TPC con energías transversas ET son proyectadas sobre una red en el espacio η-φ partículas Rcono • Método iterativo sobre todas las partículas en aceptancia central • Parámetros de búsqueda definidos: üRadio del cono R = 0. 7 (rad). üMínima energía del jet: 5 Ge. V. üMínimo momento transverso de la partícula líder: 2 Ge. V/c. 2 jets líder 3 jets y z q j x

Estructura global del evento Jets 1 -T R 1 ≤ 0. 05 ≥ 0. 9 2 ≤ 0. 05 ≤ 0. 35 3 ≥ 0. 1 ≤ 0. 6

Propiedades generales de eventos p + p → Jet + X Las resoluciones angular y en pseudorapidez para jets generados y reconstruidos revelan un máximo en cero en todos los casos, lo que demuestra que en promedio, la dirección del jet es encontrada correctamente. La eficiencia del proceso de reconstrucción de las partículas se refleja en la diferencia de las energías trasversas de los jets generados y reconstruidos, que en general son consistentes entre sí.

Propiedades generales de eventos p + p → Jet + X El detector ALICE, cuyo propósito principal es la medición de la alta multiplicidad de partículas en colisiones relativistas de iones pesados, proveerá una reconstrucción completa de jets hadrónicos producidos en colisiones protón en el LHC. La comparación de la producción de jets en colisiones pp a diferentes energías del centro de masa (0. 9, 10 y 14 Te. V) y para diferentes generadores de eventos nos abre la posibilidad de caracterizar los eventos de acuerdo a la producción de jets energéticos.

Propiedades generales de eventos p + p → Jet + X La caracterización de jets mediante la medición de las multiplicidades refleja que éstas siguen aproximadamente una forma gaussiana sesgada, y la distribución de las dependencia de la multiplicidad promedio de partículas cargadas por jet con respecto a las energías transversas de los jets sigue una tendencia logarítmica del aumento del número de partículas constitutivas al aumentarse la energía transversa de los jets.

Propiedades de partículas constitutivas de los jets El análisis llevado a cabo para el generador PYTHIA, refleja una propiedad del proceso de fragmentación: un jet es producido por un partón duro dispersado durante la colisión, y su posterior fragmentación en hadrones finales es isotrópica e independiente de la energía del jet originado para rangos de energías transversas de 10 < ET < 20 Ge. V.

Correlación entre partículas cargadas de alto p. T Las correlaciones azimutales y de pseudorapidez son cualitativamente explicadas por el marco de dispersión de partones y la fragmentación de partones a hadrones: la partícula con el momento transverso más alto define razonablemente la dirección del partón dispersado, ya que lleva una gran fracción del momento del partón.

Correlación entre partículas cargadas de alto p. T La utilidad de las variables de forma en combinación con la búsqueda de jets con el algoritmo de cono es reflejada al hacer las correlaciones solamente con el algoritmo de cono de ALICE sin usar las variables de forma. Las distribuciones de las partículas en el ángulo azimutal presentan una gran cantidad de eventos conos reconstruidos cerca uno del otro o totalmente traslapados.

Características de eventos con 2 jets El patrón de la distribución de la energía total reconstruida por evento muestra una clara estructura de 2 jets para diferentes rangos de energías generadas. Los dijets, idealmente, tendrían energías transversas a la dirección del haz iguales. El corte implementado en la diferencia energética entre el jet más energético y el segundo jet en el evento de 0. 3, disminuye la posible identificación errónea de dijets por el algoritmo de cono. La naturaleza back-toback de los dos jets cargados en el rango de 5 < ET < 20 Ge. V es evidente.

La estructura topológica de eventos de 3 jets

Identificación de partículas líder en jets Se encontró que el porcentaje de jets con un protón/antiprotón líder es de 16% y con piones líder es de 65%. La multiplicidad promedio de partículas cargadas dentro de jets originados con un protón parece ser igual que para jets originados con un pión.

Correlación de partículas-antipartículas dentro de jets

Correlación de protones-antiprotones dentro de jets Las correlaciones de protones y sus respectivos antiprotones constitutivos de los jets muestran que el mecanismo de producción de pares barión-antibarión en colisiones pp está dominado por la conservación local del número bariónico dentro de los jets.

Correlación de K+ - K– dentro de jets Las correlaciones de kaones positivos y kaones negativos dentro de jets indican que en un pequeño espacio del evento restringido a a la conservación se conserva el número cuántico de extrañeza. + K– K

Correlación de partículas-antipartículas dentro de jets La diferencia energética entre pares de K+K- y dentro de jets indica que sin importar la multiplicidad o la energía del jet producido, hay una fuerte correlación energética entre los bariones y los kaones finales constitutivos no-líderes.

Distribución de momento de partículas cargadas en dijets

Distribución de momento de partículas cargadas en dijets

Multiplicidades en jets inducidos por gluones y quarks Aproximación Logarítmica Modificada a Primer Orden (MLLA) Mueller (1983); Dokshitzer, Troyan (1984); Webber (1984) Describe la evolución de cascadas de partones dentro de ángulos θc pequeños alrededor del eje del jet y a escalas por encima de un corte energético mínimo de producción de cascadas, Qeff. Dualidad Local Partón-Hadrón (LPHD) Azimov, Dokshitzer, Khoze, Troyan (1985) Supone que la hadronización es local y ocurre al final desarrollo de la cascada de partones, de modo que las propiedades de los hadrones son fuertemente relacionadas con las de los partones que los originan.

Multiplicidades en jets inducidos por gluones y quarks εg = 80% (Pythia) Fn. MLLA = 1. 3 ± 0. 2 (teor. ) KLPHD = 0. 57 ± 0. 11 (exp. ) Ajuste MLLA a Njet contra Ejet r = 1. 53 ± 0. 61 CDF: r = 1. 64 ± 0. 17 3 NLLA: r = 1. 6 – 1. 8 La medición es indirecta, ya que los resultados se basan en la dependencia del cálculo de Ngluon-jet usando MLLA

Conclusiones Se identificaron las topologías de jets usando variables de forma global del evento y algoritmo de tipo cono para la búsqueda de jets. Se caracterizaron los jets por medio de observables como multiplicidad, correlación de partículas e identificación del jet teniendo como partícula líder un mesón o un barión. Se demostró que existe una conservación local de extrañeza y número bariónico en cada jet observado. Se obtuvo un rango del valor de la razón de multiplicidad en jets originados por gluones a jets originados por quarks. Las mediciones de producción de jets en colisiones protón-protón realizadas en el presente trabajo son importantes para entender y caracterizar la producción de partículas finales tanto en colisiones protón-protón, como en colisiones ión-ión.