LHC/ALICE 7 TeV质子—质子碰撞中的中性介子谱研究

论文摘要

人类在探索未知领域的步伐从来没有停止过,试图理解人类本身和我们所生活的宇宙。在20世纪,粒子物理领域所取得的巨大成就,使我们对微观世界基本组分的认识已经达到夸克的层次（r～10-18m）,这种发展反过来也促进了人类对宇宙起源等问题的理解。标准模型（SM）是上个世纪颇为成功的理论之一,它成功的预测了新的唯象,并对诸多实验结果给出了合理的解释。它解释了宇宙中的基本组分粒子是由3代夸克,3代轻子和4个传递相互作用的粒子（光子传递电磁相互作用,胶子传递强相互作用,W±,Z0玻色子传递电弱相互作用）。然而,仍然有许多困惑,比如是否存在希格子玻色子和超对称粒子,中微子质量之谜等标准模型框架之内或之外问题,有待解决。此外,宇宙中是否存在我们没有预测到的新的粒子,夸克或轻子?这些问题是当前理论和实验物理学家科研探索的第一推动力。作为标准模型一部分,格点量子色动力学（LQCD）预测在高温、高密的环境下,会有一个从强子相到解紧闭的夸克胶子等离子（QGP）的相变过程。从而,探寻夸克胶子等离子体存在的证据,并理解其相变热动力学演化过程是当前超相对论重离子碰撞的重要物理目标之一。此外,通过夸克胶子等离子体的研究将会对宇宙天文学的观测发现也起到重要作用。然而,在实验室除了通过末态强子分布的间接研究,并没有直接观察和探测致密的夸克胶子物质的途径。其中,已经发展和建立的观测途径有：通过高横动量强子谱和夸克偶素产额压低,喷注淬火现象,奇异粒子产额增强,动力学演化的集体流行为等。在这些可观测量中,由于光子是电磁粒子,它会弱耦合与致密的夸克胶子等离子体,从而携带其产生时刻的热动力学信息,进而通过中性粒子谱压低,直接光子产额增强,光子-强子关联等物理测量建立与致密物质属性的联系。目前为止,在美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机实验（RHIC）,最高能量为200 GeV,已经发表了大量的关于致密物质的研究成果,为正在运行的欧洲核子中心（CERN）上的大型强子对撞机（LHC）实验提供了重要的理论和实验参考。大型重离子对撞机实验（ALICE）是LHC上的四大重要实验之一,致力于在最高质心能量为5.5TeV下的重离子碰撞物理研究。实验运行早期的900GeV（2009年底）和7TeV（2010年）的质子-质子碰撞数据是重离子铅-铅在质心能量为2.76TeV（2010年底）和5.5TeV碰撞的必要条件。在实验运行之前,结合探测器真实的几何配置,我们首先估算了中性粒子谱的产额,该分析为ALICE电磁量能器（光子谱仪PHOS和电磁量能器EMCAL）的物理分析提供了依据。同时也证明了PHOS通过光子衰变道重建η和ω的可行性。可以说我很幸运能够在博士期间的最后一年半时间里参与ALICE数据获取和物理分析,也使得该博士论文不再是完美的模拟结果,而是充满实验气息的物理分析。同时,参加ALICE（?）的数据获取（DAQ）,中心触发选判处理（CTP）和探测器控制系统（DCS）值班的经历,也使我更多的接触实验控制过程,从而理解LHC是如何工作以及它的复杂性。然而,实验毕竟也不像唯象研究,通过一系列近似和参数调整,唯象研究总能得到预期想要的结果去解释实验结果。尤其在实验的早期阶段,我们应该投入更多的精力去磨合和理解探测器,进而得到令人信服的物理结果。因此,从探测器获取的原始数据到物理分析数据这样的数据处理过程,通过比较模拟和实验数据,我们进行了认真的检查和研究,包括簇射重建,探测器校正,粒子鉴别等。本论文研究了利用ALICE电磁量能器来重建中性粒子谱。由于PHOS和EMCAL不同的探测技术和设计参数,依赖于所探测的中性粒子的横动量大小,我们研究了三种分析策略：不变质量分析,簇射形状分析和孤立截断。在低的横动量区间,从中性粒子的衰变光子能够很好的区分,从而用可以用不变质量分析重建中性粒子谱；在中间横动量区域,衰变光子开始叠加,借助于簇射形状仍然能够鉴别；在很高的横动量区间,衰变光子开始完全叠加,而不能展开,运用孤立截断这种间接方法可以提取中性粒子谱。由于EMCAL探测器仍然存在校正和几何方面的问题,该论文更多的包含了关于PHOS的物理分析。我不打算声称所有的结果都是最终的物理结果,只是呈现我的科研贡献和收获。从目前的质子-质子在7 TeV下的碰撞数据,我们分析了大约390兆的最小无偏事件。运用不变质量分析,对PHOS来说,我们可以提取到横动量为25 GeV/C的π0谱,而对EMCAL由于簇射叠加和展开算法的限制,目前只能提取到横动量为15GeV/C。同时我们也测量到η的分布到10GeV/C,本论文并没包含更多具体的分析。关于衰变道ω->π0γ,对PHOS由于统计量和接受度的原因,并没有观察到其明显信号,对EMCAL,借助于特殊的簇射展开算法,在高横动量>10GeV/C,有迹象表明信号存在,但仍需要更深一步的研究。新的ω->π0γ重建办法假定高横动量的簇射为π0,而不借助与簇射的展开算法,在模拟研究中证明了其可行性。在对原始中性粒子谱的修正中,我们将探测器的接收度和重建效率结合在一起,用均匀分布的单π0事件进行完整的模拟。从探测器的绝对能量校正以及非线性响应,坏道挑选的不确定性,由于光子转化造成π0。丢失以及来自顶点外的非物理效应的π0等方面估算系统误差,最终给出实验上的不变散射截面分布,并和理论进行了比较。我想强调的是,中性粒子谱（比如：π0）的测量对早期的探测器校正至关重要。并且是任何光子物理分析的基础,比如直接光子提取,集体流,喷注物理等都直接相关。接下来,ALICE将达到预期设计的亮度,并继续采集质子-质子和铅-铅碰撞数据,更多的物理结果即将发表。“完成该博士论文意味着博士生涯的结束,但却是整个ALICE物理分析的开始”。

论文目录

• 摘要
• Résumé
• Abstract
• Cotnents
• List of Figures
• List of Tables
• ChaPter l Introduetion of high energy Pyhsies
• 1.1 Standard model
• 1.2 Quantum Chromo Dynamies（QCD）
• 1.2.1 Confinement and asymptotic freedom
• 1.2.2 Chiral symmetry restoration
• 1.2.3 Phase transition from hadrons to quarks and gluons
• 1.2.4 Phase diagram
• 1.3 Probe of the QGP
• 1.3.1 The ultrarelativistic heavy-ion collisions
• 1.3.2 Observable
• 1.4 Seope of the thesis
• ChaPter 2 Photon probes in ALICE experiment with EM-Calorimeters
• 2.1 Photon production
• 2.2 The role of neutral mesons measurement
• 2.3 ALICE Experiment
• 2.4 ALICE EM-Calorimeters
• 2.4.1 PHOS
• 2.4.2 EMCAL
• 2.5 Yield estimation
• 2.6 The goal of my study
• ChaPter 3 Strategy of neutral meson measurements
• 3.1 Invariant mass analysis
• 0（η）→2_γ'>3.1.1 π⁰（η）→2_γ
• 0_γ'>3.1.2 ω（782）→π⁰_γ
• 3.2 Shower shape analysis
• 3.3 Isolation cut method
• ChaPter 4 Data processing chain
• 4.1 Raw data
• 4.2 Signal extraction
• 4.2.1 Amplitude and timing
• 4.2.2 From amplitude to energy
• 4.3 Calibration of PHOS and EMCAL
• 4.3.1 High and low gain ratio by LED
• 4.3.2 Beam test
• 4.3.3 Cosmic rays μ
• 4.3.4 E/p measurement by electrons
• 0 peak'>4.3.5 Calibration by using π⁰peak
• 4.3.6 Bad channels map
• 4.4 Clustering
• 4.4.1 Cluster finding
• 4.4.2 Cluster unfolding
• 4.4.3 Coordinates and energy reconstruction of an incident particle
• 4.4.4 Shower shape parameters
• 4.5 Track segment reconstruction
• 4.6 Photon identification
• 4.6.1 Track-position matching from TPC to EM-calorimeters
• 4.6.2 Shower shape in real data
• ChaPter 5 Raw yield of neutral mesons
• 5.1 Event selection and QA
• 5.2 Data sample
• 5.3 Cluster selection
• 0 raw yield extraction'>5.4 π⁰ raw yield extraction
• γ reconstruction'>5.5 η→2_γreconstruction
• 0γ →3_γ reconstruction'>5.6 ω（782） →π⁰γ →3_γreconstruction
• 5.7 Summary
• ChaPter 6 Corrections and uncertainties
• 6.1 Acceptance and reconstruction effciency
• 6.2 Systematical uncertainties
• 6.2.1 Absolute energy scale
• 6.2.2 Detector non-linearity response
• 6.2.3 Bad channels
• 6.2.4 Raw yield extraction by different fitting methods
• 0 conversion loss and recovery'>6.2.5 π⁰ conversion loss and recovery
• 0'>6.2.6 Contributions from off-vertex π⁰
• ChaPter 7 Results and outlook
• 0 spectrum'>7.1 Fitting of π⁰spectrum
• T and x_T'>7.2 Scaling behavior of m_T and x_T
• 7.3 Outlook
• Appendix
• Acknowledgment
• List of Publications
• Bibliography