LHC/ALICE实验上质子-质子碰撞中喷注碎裂函数及碎裂函数矩的测量

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格点量子色动力学(1QCD)的预言,在高温和低化学势的极端情况下,夸克及胶子会退“禁闭”,物质会由普通状态过渡为夸克胶子等离子体(QGP)。实验上,我们通过极端相对论重离子碰撞来产生并研究这一热密物质形态。  实验中产生的QGP寿命极短暂,对它的观测只能基于各类末态“探针”。作为硬探针的一种,喷注(jet)产生于碰撞早期的高能部分子来自硬散射过程,它会在介质中损失能量后碎裂成为一簇强子。其结构和碎裂形态,被广泛在质子-质子及重离子碰撞实验中进行研究测量。前者对应于真空环境,有助于理解喷注碎裂过程,并进而检验微扰量子色动力学(pQCD),并为其它碰撞系统提供参考,如对比质子-核子碰撞,以揭示冷核效应。而后者环境中会包括产生的高密介质,QGP。在与之前的碰撞进行对比中,可以得到在QGP存在情况下的的喷注的碎裂(结构)的变化,通过测量这一改变而揭示QGP的性质。在众多喷注的观测量中,碎裂函数描述了喷注内部强子的分布,进而给出了碎裂情况。然而,对它在重离子碰撞下的测量受到了喷注背景及其涨落的巨大影响。为了克服这一难题,Cacciariet.al.在[1]中提出了一个新的物理量:碎裂函数矩。  在大型强子对撞机(LHC)上的大型离子对撞实验(ALICE),其对带电粒子具有独特的分辨能力,精度下限达到150MeV/c。这一能力使对喷注结构改变及碎裂函数的测量成为可能。ALICE上的电磁量能器也可以用于早期硬探针的测量,包括喷注、高能光子等。在2015-2018的LHC的第二阶段运行(Run2)中,ALICE添加了别一个与EMCal相对的量能器(双喷注量能器DCal)。它们将联合促进双喷注、强子-喷注及光子-喷注事件的关联研究。  本研究工作主要应用LHC/ALICE的中心桶部径迹探测系统(central berral tracking system),利用探测到的带电粒子径迹,重建出带电粒子喷注(以下简称喷注)。对2.76TeV质心系能量的质子-质子对撞数据进行分析,对喷注的碎裂函数矩(fragmentation function moments)进行首次测量。为了加深对新物理量的理解,我们同时测量了喷注的碎裂函数(fragmentation function)。这一测量包括了喷注中的带电强子谱(pr),带电强子能量分数的分布(z,ξ),方位夹角的分布(Δθ)和喷注内能量的横向延伸/扩展的分布(jT)几个方面。对于不同的喷注分辨率(R,它圈定了喷注的空间张角大小),上述各个结果都显示出与理论模型(PYTHIA)很好的契合度。作为博士工作—部分,DCal在官方分析软件ALIROOT中代码实现,也将在本文中给予讨论。  本论文的章节安排如下:本文第一章将对工作的物理背景作一介简单的介绍,包括重粒子碰撞及演化和QCD相图等。第二章会着重介绍与喷注相关的物理,包括喷注研究的近况,遇到的问题,解决方案。第三章将会对ALICE实验中所用到的探测器作一个简要介绍。第四章会着重介绍ALICE的取样电磁量能器和本人在DCal代码实现上在工作。后者主要包括了二个部分:一、规范了EMCal代码,更新了几何结构、各联接之间的映射:电子学通道,clusterization及触发trigger的部分。二、构建了三个版本的DCal几何结构,分别对应于:之前投标时的版本,正在ALICE上使用的版本和一个将来可能的更新版本。最后,对这一工作结果进行了模拟及真实数据上的验证研究和各项兼容性测试。第五章对ALICE实验下的分析框架作了简短介绍,同时介绍了本次测量所应用的数据和相应的MC,并作了数据质量分析,介绍了喷注分析所需要的常见技术。最后,对于中心探测区域的径迹(track)作了一系列研究以深入理解。第六章给出了2.76TeV质子-质子碰撞在ALICE实验下的碎裂函数测量,测量结果与理论QCD模型预期一致,并对测量中运用的背景扣除、Bin-by-Bin修正及次级粒子修正等各项技术进行了讨论。第七章给出了同样实验条件下,新变量碎裂函数矩的测量结果,并进行多种方案的讨论。其结果与碎裂函数相吻合。对于这一新变量的初次测量的经验将会有助于推进其到相应的重离子碰撞中。限于工作量和时间,这一工作尚未完全完结,本文对一部分系统误差工作进行了讨论和展望,并会在近期完成整个系统分析。最后在第八章对本论文工作的总结。
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