Precision measurements in the multi-strange baryon sector at the LHC with the ALICE experiment
Mesures de précision dans le secteur des baryons multi-étranges au LHC avec l’expérience ALICE
Résumé
Quantum chromodynamics (QCD) predicts the existence of an extreme state of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined and thermalised: this is the so-called Quark Gluon Plasma (QGP). The QGP has been studied experimentally at colliders such as the LHC at CERN in Geneva, during the LHC Run-1 (2009-2013) and Run-2 (2015-2018) data taking periods. The 5th of July 2022, the LHC has restarted for a third data taking campaign (LHC Run-3), as well as the experiment in which this thesis is carried out, ALICE. This thesis proposes to analyse - possibly, one last time - the data recorded during the LHC Run-2 before moving on to the ones from the LHC Run-3, in order to fully exploit them and push them to their precision limits. To that end, two analyses have been performed. The main analysis consists in a test of the CPT (Charge-Parity-Time) symmetry via the mass difference measurement of multi-strange baryons (Xi- and Xi+, and Omega- and Omega+) in proton-proton collisions at 13 TeV. The current mass and mass difference values given by the Particle Data Group (PDG) for these two baryons relying on measurements with relatively low statistics, it becomes now possible to improve them in order to test the CPT symmetry to an unprecedented level of precision, thanks to the abundant production and detection of these baryons by ALICE at the LHC. The total uncertainty on the mass values has been reduced by a factor 1.19 for the Xi- and Xi+, and 9.26 for the Omega- et Omega+. Concerning the mass differences, their precision has been improved by 20% for the Xi, and by more than a factor two for the Omega. The second analysis aims to provide a better understanding of the production mechanisms of strange quarks in proton-proton collisions at 13 TeV. This is achieved by studying the correlations between identified particles. In practice, this analysis focuses specifically on correlations between a multi-strange baryon - Xi or Omega - and a Phi(1020) resonance. The first results show no correlation with the rapidity separation while the production of Phi(1020) increases in the vicinity (in azimuth) of a Xi in both minimum-bias and high-multiplicity proton-proton collisions. A similar trend can be observed for Omega−Phi(1020) correlation in high-multiplicity events. The comparison to QCD-inspired Monte Carlo predictions shows that PYTHIA 8 overestimates Xi−Phi(1020) correlation with the azimuth in minimum-bias proton-proton collisions, while EPOS 4 underestimates it. This suggests that the correlated production of strange hadrons is likely an interplay between soft and hard hadronisation mechanisms.
La chromodynamique quantique (QCD) prédit l’existence d’un état extrême de la matière nucléaire dans lequel les quarks et gluons sont déconfinés et thermalisés : il s’agit du plasma de quarks et de gluons, aussi appelé Quark-Gluon Plasma (QGP). Le QGP a fait l’objet d’études auprès de collisionneurs, notamment au LHC au CERN à Genève, au cours des prises de données du LHC Run-1 (2009-2013) et Run-2 (2015-2018). Le 5 juillet 2022, le LHC entre à nouveau en fonctionnement pour une troisième campagne de prise de données (LHC Run-3), ainsi que l’expérience dans laquelle s’effectue cette thèse, ALICE. Ce sujet de thèse propose d’examiner – une dernière fois peut-être – les données collectées au cours du LHC Run-2 avant de passer à celles du LHC Run-3, afin de les exploiter pleinement et les pousser à leurs limites en terme de précision. À cette fin, deux analyses ont été réalisées. L’analyse principale porte sur le test de la symétrie CPT (Charge-Parité-Temps) via la mesure de la différence de masse de baryons multi-étranges (Xi- et Xi+, et Omega- et Omega+). Les valeurs actuelles de masses et différences de masse du Particle Data Group (PDG) pour ces deux baryons s’appuyant sur des mesures de relativement faibles statistiques, il est désormais possible de les améliorer en vue de tester la symétrie CPT avec une précision inégalée, grâce à l’abondante production et détection de ces baryons par ALICE au LHC. L’incertitude totale sur les valeurs de masse se retrouve réduite d’un facteur 1.19 pour les Xi- et Xi+, et 9.26 pour les particules Omega- et Omega+ . Quant aux différences masses, leur précision a été améliorée de 20% pour les Xi et de plus d’un facteur deux pour les Omega. La seconde analyse vise à mieux comprendre les mécanismes de production des quarks étranges dans les collisions proton-proton à 13 TeV. Cela passe par l'étude des corrélations entre particules identifiées. En réalité, cette analyse se concentre specifiquement sur les corrélations entre un baryon multi-étrange – Xi ou Omega – et une résonance Phi(1020). Les premiers résultats ne montrent aucune corrélation avec la séparation en rapidité alors que la production des Phi(1020) augmente, lorsque celles-ci se trouvent à proximité (en azimut) d’un Xi dans les collisions proton-proton de biais-minimum et de haute-multiplicité. Une tendance similaire peut être observée pour la corrélation Omega-Phi(1020) dans les événements de haute multiplicité. La comparaison avec les prédictions Monte Carlo inspirées de la QCD montre que Pythia 8 surestime la corrélation azimutale dans les collisions proton-proton de biais-minimum, alors que Epos 4 la sous-estime. Cela suggère que la production corrélée d’hadrons étranges consiste vraisemblablement en une combinaison de mécanismes d’hadronisation doux et durs.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)