[論文レビュー] Charm production and in-medium QCD energy loss in nucleus-nucleus collisions with ALICE. A performance study

A. Dainese|ArXiv.org|Nov 3, 2003

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 19被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるPb–Pbおよびpp衝突におけるcharm生成および物質中エネルギー損失の測定について、ALICE検出器の性能を評価する。モンテカルロシミュレーションと詳細なトラック再構成を用いて、D⁰メソンのK⁻π⁺への崩壊を介した高精度な再構成が可能であることを示し、高横動量領域において、rϕ方向で約10 μm、z方向で約34 μmのインパクトパラメータ分解能を達成している。これにより、クォーク–グルーオンプラズマ内でのパートンエネルギー損失の感受性のある研究が可能となる。

ABSTRACT

This work is aimed at studying the performance of the ALICE detector for measuring charm production in heavy ion collisions at the LHC and for investigating the properties of the deconfined quark-gluon medium formed in central nucleus-nucleus reactions by a comparison of its `opacities' to massive (charm) quarks and massless partons. The topics discussed in the thesis can be summarized as follows. Definition of a baseline for heavy quarks production cross sections and kinematical distributions at LHC energies, using (and comparing) pQCD tools (HVQMNR program) and the PYTHIA event generator. Study of the experimental issues related to the identification of the displaced decay vertices of charm mesons: track impact parameter resolution and primary vertex reconstruction. Definition of a strategy for the exclusive reconstruction of D^0 o Kπdecays with ALICE in Pb-Pb and pp collisions and evaluation of the performance in terms of momentum range, precision and accuracy of the measurement. Study and simulation of the predicted parton energy loss effect, including a realistic description of the collision geometry and an algorithm to take into account the expected lower loss for heavy quarks (dead cone effect). Assessment of a strategy to carry out comparative measurements of the quenching of charm quarks and massless partons and evaluation of the attainable sensitivity.

研究の動機と目的

• LHCエネルギー下でのPb–Pbおよびpp衝突において、D⁰メソンのK⁻π⁺への励起崩壊を介したALICEのD⁰再構成能力を評価すること。
• インナー・トラッキング・システム（ITS）における高pTトラックのインパクトパラメータ分解能を定量し、検出器設計および材料予算への依存関係を評価すること。
• クォーリング重みおよび核子修飾係数を用いて、charmクォークの物質中エネルギー損失（クォーリング）へのALICEの感受性を評価すること。
• Bメソン崩壊によるD⁰生成への寄与割合を測定する可能性を検討すること。
• 重クォークをプローブとして用いたクォーク–グルーオンプラズマ内でのパートンエネルギー損失の今後の測定のための性能ベンチマークを提供すること。

提案手法

• PYTHIAを用いた重クォーク生成および初期状態ダイナミクスのイベントジェネレータを用いて、√sNN = 5.5 TeVでのPb–Pbおよびpp衝突をシミュレートする。
• ITS、TPC、TOFの詳細なシミュレーションを用いて、ALICE検出器の応答をモデル化し、空間分解能およびクラスタ割り当てを含む。
• ハイブリッドTPC–ITSフィットを用いたトラック再構成を実施し、高pTトラックのインパクトパラメータ分解能をモンテカルロ手法を用いて推定する。
• クォーリング重み形式を適用し、pTおよび中央度依存性に応じたD⁰メソンの期待される核子修飾係数RAAを計算する。
• 解析的および高速シミュレーションのクロスチェックを用いてトラック再構成性能を検証し、ピクセル層の材料厚さの影響を含む。
• 信号対背景比およびインバリアント質量フィッティングを用いて、D⁰微分断面積の統計的および系統的不確実性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALICEは、高多重度Pb–Pb衝突において、K⁻π⁺への崩壊を介したD⁰メソンの再構成に十分なインパクトパラメータ分解能を達成できるか？
• RQ2 LHCにおけるPb–Pbおよびpp衝突におけるD⁰微分断面積d²σ/dpTdyの期待される統計的不確実性はどの程度か？
• RQ3 charmクォークの物質中エネルギー損失が、D⁰メソンの核子修飾係数RAAに与える影響は何か？ALICEはこの効果を解像できるか？
• RQ4 Bクォーク崩壊によるD⁰出力への寄与は何か？分析においてどのように補正可能か？
• RQ5 D⁰再構成性能は、ITSの内側ピクセル層の材料予算にどの程度敏感か？

主な発見

• Pb–Pb衝突における高pTトラック（pT = 20 GeV/c）のインパクトパラメータ分解能は、TPCおよびITS情報を組み合わせることで、rϕ方向で約10 μm、z方向で約34 μmと推定される。
• z方向の分解能は、トラックの傾き角に関するTPC情報の組み込みにより著しく向上し、約70 μmから約34 μmに不確実性が低減される。
• Pb–Pb衝突におけるD⁰再構成の信号対背景比は、最適化されたpTチャンネルにおいて、統計的不確実性が10%未満に抑えられるほど十分に高い。
• 検出器シミュレーションは、1層あたり400 μmのピクセル層を有する現在のALICE設計が十分な性能を発揮すると予測しているが、600 μmの層厚さでは低pT領域でrϕ分解能が約10%劣化する。
• クォーリング重み形式は、中央部Pb–Pb衝突においてD⁰メソンの有意な抑制（RAA < 1）を予測しており、物質中エネルギー損失の直接的プローブとなる。
• Bクォーク崩壊によるD⁰出力への寄与は、高pT領域で約10–15%と推定され、正確なcharm生成測定のための補正が必要である。