W boson measurement in the muonic decay channel at forward rapidity with ALICE

217 Pages·2017·15.21 MB·French

by  Jianhui Zhu

W boson measurement in the muonic decay channel at
forward rapidity with ALICE
Jianhui Zhu
To cite this version:
JianhuiZhu. WbosonmeasurementinthemuonicdecaychannelatforwardrapiditywithALICE.Nu-
clear Theory [nucl-th]. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique, 2017. English. ￿NNT:
2017IMTA0014￿. ￿tel-01639163￿
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Jianhui ZHU
Mémoire présenté en vue de l’obtention du
grade de Docteur de IMT ATLANTIQUE
sous le sceau de l’Université Bretagne Loire
École doctorale : 3MPL
Discipline : Constituants élémentaires et physique théorique
Spécialité : Physique des Ions Lourds
Unité de recherche : Subatech, Nantes, France
Soutenue le 01 avril 2017
Thèse N° : 2017IMTA0014
Mesure de la production du boson W dans le
canal muonique à rapidité à l’avant avec ALICE
W boson measurement in the muonic decay
channel at forward rapidity with ALICE
JURY
Rapporteurs : Nicole BASTID, Professeur, LPC, Université Clermont Auvergne, France
Yugang MA, Professeur, Shanghai Institute of Applied Physics, CAS, Chine
Examinateurs : Zhongbao YIN, Professeur, Central China Normal University, Chine
Xiaoming ZHANG, Chargé de Recherche, Central China Normal University, Chine
Co-encadrant : Daicui ZHOU, Professeur, Central China Normal University, Chine
Directeur de Thèse : Ginés MARTINEZ-GARCIA, Directeur de Recherche CNRS, Subatech, Ecole des Mines-Telecom, France
Co-directeur de Thèse : Diego STOCCO, Chargé de Recherche, Subatech, Ecole des Mines-Telecom, France
Mesure de la production du boson W dans le canal muonique à
rapidité à l’avant avec ALICE
Ré (cid:2460)(cid:2462)mé
Selonlemodèlestandard,lamatièreestconstituéedeparticulesfondamentales: lesquarks,
lesleptonsetlesbosonsmédiateursd’interaction.Lesquarkssontlesparticulessoumisesàl’interaction
forte,quiestvéhiculéeparlesgluons,etpeuventavoirsixsaveursdifférentes. Lesleptonsetles
quarkssontsoumisàl’interactionélectrofaible,véhiculéeparlesbosonsW±,Z0 etlesphotons.
Lemodèlestandardexpliquedenombreuxrésultatsetpréditl’existenced’uneparticule, lebo-
son de Higgs, qui est responsable de la masse des autres particules. Dans le modèle standard,
l’interaction forte entre les quarks et les gluons (partons) est décrite par la théorie de la Chro-
moDynamiqueQuantique(QCD).Laconstantedecouplagedel’interactionfortechangeavec
l’énergie/distanceentreparticules. Elleestnotammentgrandeàpetitesimpulsions/grandesdis-
tancesetpetiteàgrandesimpulsions/petitesdistances. Parconséquent,lespartonssontconfinés
dansleshadrons(confinement),maisilssecomportentcommedesparticulesquasi-libresàpetites
distancesethautesénergiesd’interaction(libertéasymptotique). LescalculsdeQCDsurréseau
(lattice-QCD)prédisentque,dansdesconditionsextrêmesdedensitéd’énergie(& βGeV/fm3)
et/oudensiténumériquedesbaryons(& βfm−3),lespartonsnesontplusconfinésàl’intérieur
des hadrons (déconfinement), et un nouvel état de la matière est formé, constitué par quarks
etgluons: lePlasmadeQuarksetdeGluons(QGP).Cenouvelétatdelamatièreétaitleplus
abondant lors de premières microsecondes après le Big Bang et pourrait exister aujourd’hui au
cœurdesétoilesàneutronsoùladensitédunombrebaryoniqueesttrèsélevée. L’étudeduQGP
donne donc des informations importantes sur l’interaction forte, les propriétés de la matière à
trèshautetempératureetl’évolutiondel’universlorsdesespremiersinstants.
LesconditionspourlaformationduQGPpeuventêtrereproduitesenlaboratoireàtraversla
collisiond’ionslourdsultra-relativistes. Deuxfaisceauxd’ionslourds,accélérésàunevitessetrès
prochedelavitessedelalumière,s’entrechoquentcréantdanslazonedelacollisiondesdensités
d’énergieextrêmementélevéesquipeuventmeneràlaformationduQGP.LeQGPcréévasubir
d’uneviolenteexpansionrelativistedanslevidequientourelazonedelacollision. Lorsdecette
expansion,ladensitéd’énergiedumilieudiminueetenquelquesdizainesdefm/clemilieusecon-
fineenproduisantunematièrehadronique(gazdehadrons).Bienqu’ilsoitimpossibled’observer
lesQGPdirectement,certainesobservablesbienprécisesontlaparticularitéd’êtretrèssensibles
i
àlaformationduQGP,notammentlesjetdehauteénergie,lesquarkslourds,lesquarkoniaet
laproductiondephotonsetdedileptons. Enrevanchelaproductiondebosonélectrofaiblesne
devraitpasêtreaffectéeparlaprésenceduQGPetreprésenteuneréférenceuniquequin’ajamais
étémesuréedanslescollisionsentreionslourdsavantlaconstructiondugrandcollisionneurde
hadronsauCERN.
Engénéral,letauxdeproductiondeparticulesouleursdistributionscinématiquespeuvent
êtremodifiésparlaprésenceduQGPparrapportauxobservationsfaitesdanslescollisionsproton-
proton. Toutefois, certaines modifications par rapport à la production en collisions proton-
protonnesontpasduesàlaprésenced’unmilieudeconfiné, maisàdeseffetsliésàl’utilisation
desionslourds,tellequelamodificationdelafonctiondedistributionpartonique(PDF)dans
lesnoyaux(commeleshadowing,lasaturationdegluons,etc).
Àcausedesagrandemasse,lebosonWestproduitlorsdescollisionspartoniquesduresdans
la phase initiale de la collision des noyaux, avant la formation du QGP. Ses produits de désin-
tégration leptoniques ne sont pas affectés par la présence du milieu deconfiné, car ils ne sont
pas sensibles à l’interaction forte. Il s’agit donc d’un canal idéal pour la compréhension des ef-
fets nucléaires non liées au QGP. En particulier, la mesure des bosons vecteurs dans un large
intervalleenrapiditépermetd’étudierlesPDFnucléaires(nPDF)dansunerégiondehautevir-
tualitéQ2 (β00GeV)2etdefractiond’impulsiondupartondanslenucléon(x-Bjorken)quiest
∼
actuellementpeucontrainteparlesdonnées.Enoutre,l’étudedel’asymétriedechargedesbosons
W±,quisontproduitsprincipalementlorsdesprocessusud¯ W+etdu¯ W−àhauteséner-
→ →
gies,permetdetesterladépendancedesmodificationdesPDFsparrapportàlasaveurdesquarks.
Encollisionproton-proton,letauxdeproductiondubosonWestbienconnu,etsamesurepeut
êtredoncutiliséecommechandellestandardpourl’estimationdelaluminosité. Commepourles
collisionsPb–Pb,lafonctiondedistributionpartoniqueencollisionsproton-plombestaffectée
parleseffetsnucléairestelsqueleshadowingetlasaturationdegluons. Parconséquent,l’étude
debosonWesttrèsimportantepourcomprendreladistributionpartoniquedanslenoyau.
LeGrandCollisionneurdeHadrons(LHC)del’OrganisationEuropéennepourlaRecherche
Nucléaire(CERN)quisetrouveàGenèveenSuissefonctionnedepuisγ009etilaproduitdes
collisions en proton-proton à des énergies du centre de masse de √s = 7, 8 et βδ TeV, des colli-
sionsproton-plombàdesénergiesparnucléonde√sNN=5.0γet8.β6TeVainsiquedescollisions
plomb-plombàγ.76et5.0γTeV.LeLHCamarquéunnouveauchapitredansledomainedela
physique des hautes énergies. L’énergiedu centre de masse atteinte au LHC est jusqu’à γ5 fois
plusgrandequecelleatteinteparleRelativisticHeavyIonCollider(RHIC)auLaboratoireNa-
ii
tional de Brookaven aux Etats Unis, ce qui permet d’étudier le QGP dans un nouveau régime
d’énergie.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est la seule parmi les 4 expériences installées au
LHCàêtrespécifiquementconçuepourlaphysiquedesionslourds. Elleestconstituéed’unton-
neaucentralcomplétéparunspectromètreàmuonversl’avantainsiquedesdétecteurspourles
mesuresàgrandesrapidités.Lespectromètreàmuoncouvrelarégiondepseudo-rapidité 4.0 <
−
η < γ.5.Encollisionproton-proton,leréférentielducentredemassecoïncideavecceluidulab-
−
oratoireetonmesuredoncdesmuonsavecunerapiditéentre 4.0 < ycms < γ.5. Encollision
− −
proton-plomb, parcontre, ladifférenced’impulsionentreleprotonetl’ionmèneàunedévia-
tion de la rapidité du systèmede centre de masse. Enrenversent la direction de circulation des
deuxfaisceaux,ilestdoncpossibledemesurerdesmuonsavecγ.0δ < ycms < δ.5δ(protonsvoy-
ageantverslespectromètre)et 4.46 < ycms < γ.96(protonss’éloignantduspectromètre).
− −
Onnoteaussiquelarégionderapiditécouverteparlespectromètreàmuond’ALICEestcom-
plémentairedecelledesexpériencesATLASetCMS.Lespectromètreàmuonssecomposed’un
aimantdipolaireavecunchampmagnétiqueintégrédeδT.mdecinqstationsdetrajectographie
composéesdechambresproportionnellesmultifilsàlecturebi-cathodiqueetdedeuxstationsde
déclenchementcomposéesdechambresàplaquesrésistivesetdeplusieursélémentsd’absorption.
Lesstationsdetrajectographiesontplacéesenavald’unabsorbeurfrontalconiqueencarbone,
bétonetacier,d’unelongueurépaisseurde4.βm(correspondantàβ0longueursd’interactionnu-
cléaire)quifiltreleshadrons,électronsetphotonsproduitsaupointd’interaction. Lesstations
de déclenchement sont placées après une paroi de fer d’une épaisseur de β.γ m (7.γ longueurs
d’interaction) qui absorbe les hadrons secondaires s’échappant de l’absorbeur et des muons de
faible impulsion, provenant principalement de la désintégration des hadrons légers. Enfin, un
blindage de faisceau conique recouvrant le tube faisceau protège le spectromètre des particules
produiteslorsdel’interactiondesparticulesdegranderapiditéavecletubelui-même.
Lacentralitédelacollisionestmesuréeàpartirdel’énergiedéposéedanscalorimètreàzéro
dégréepourneutrons(ZN)endirectiondel’iondeplombquisefragmente. Lenombremoyen
decollisionsnucléon-nucléonbinaires< Ncoll >estobtenuàpartirdela“méthodehybride”,
qui se repose sur l’hypothèse que la multiplicité mesurée des particules chargées à mi-rapidité
estproportionnelleaunombremoyendenucléonsquiparticipentàlacollision< Npart >. Les
valeursde< Npart >pouruneclassedecentralitéZNdonnéesontcalculéesenmettantàl’échelle
le nombre moyen de participants dans des collisions MB < NMB >, estimé avec un Glauber
part
Monte Carlo, par le rapport de la multiplicité moyenne des particules chargées mesurées à mi-
iii
rapidité pour la même classe de centralité ZN et celle de MB. Ces valeurs sont désignées par <
Nmult >pourindiquerl’hypothèseutiliséepourlamiseàl’échelle. Lenombrecorrespondant
part
de collisions binaires est alors obtenu comme: < Nmult >=< Nmult > β. Les incertitudes
coll part −
systématiquessontestiméesenutilisantdifférenteshypothèses.
Cettethèseapourobjectif,lamesuredelaproductiondubosonWversl’avantdanslecanal
muonique en collisions proton-plomb à 5.0γ TeV et proton-proton à 8 TeV avec l’expérience
ALICEauLHC.Pourlescollisionsproton-plomb,laproductiondebosonsWaétéégalement
étudiéeenfonctiondelacentralitédelacollision. Ils’agitdelapremièremesuredubosonWà
grandesrapiditésencollisionsproton-plomb. Danscetravail,nousavonstoutd’abordétudiéles
caractéristiquescinématiquesdesmuonsissusdeladésintégrationdubosonWpardessimula-
tions,afind’enextrairesacontributionàladistributiond’impulsiontransverse(pT). Onobserve
que la contribution est maximale pour pT 40 GeV/c. A plus basse impulsion transverse la
∼
source principale de muons est la désintégration des hadrons contenant un quark charmé ou
beau. A haute impulsion transverse la contribution principale du bruit de fond est constituée
pardesmuonsissusdeladésintégrationdeZ0/(cid:787)∗. Ladistributioncinématiquedesdifférentes
contributionsestdécritepardes“templates”obtenuesavecdessimulationsMCquiutilisentdes
calculsdeQCDcommegénérateur. Lacontributiondusignalestobtenueenajustantlesdon-
néesaveccestemplates. Lenombredemuonsainsiestiméestcorrigéparl’acceptanceetl’efficacité
dudétecteuretnormalisépourobtenirlasectionefficace. L’asymétriedecharge,définiecomme
lerapportentreladifférencedeproductiondesmuonspositifsetnégatifssurlaproductionto-
tale,estmesuréeégalement. LesmesuressontcomparéesavecdescalculsdeQCDperturbative
auNext-to-LeadingOrder(NLO)etNext-to-Next-to-LeadingOrder(NNLO).Lesrésultatsen
collisionsproton-protonsontenbonaccordaveclathéorie(Figureβ). Danslecasdescollisions
b)1000
σ (p 900 ALICE, pp @ s = 8 TeV This thesis
pµ > 10 GeV/c
800 T
700
µ+ ← W+, Data
600 µ- ← W-, Data
µ+ ← W+, POWHEG, CT10
500 µ- ← W-, POWHEG, CT10
400
300
−5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5
yµ
cms
Figure1:SectionefficacedemuonavecunpμT > β0GeV/cprovenantsdeladécroissancedubosonsW±danslescolli-
sionsppà8TeV.LamesureaétécomparéeàlaprédictionobtenueaveclelogicielPOWHEGenutilisantlesfonctionde
distributiondepartonsCT10.
iv
proton-plomb,oncompareavecdescalculsquiincluentquiincluentounonlesmodifications
nucléairesdesPDFs. Lesmesuresexpérimentalessontcompatiblesaveclesdeuxcasdanslesin-
certitudesactuelles(Figureγ). Encollisionproton-plomb,onmesureaussilasectionefficacede
laproductiondemuonsissusdeladésintégrationdesbosonsWdiviséeparlenombremoyende
collisionnucléon-nucléon,enfonctiondelacentralitédel’événement,déterminéeavecdifférents
estimateurs. Comme la production du boson W est proportionnelle aux collisions nucléon-
nucléon,sontauxdeproductionparcollisionnucléon-nucléondevraitêtreconstantenfonction
delacentralitésilesestimateursnesontpasbiaisés.Lamesuremontrequeladépendanceestplate
pourtouslesestimateursdanslesincertitudesexpérimentalesquisontentre8etβ6%(Figureδ).
ALI-PUB-118937
Figure2:SectionefficacedifférentielleenrapiditédesmuonpositifsdepμT > β0GeV/cprovenantdeladécroissancedu
+
bosonW .Lesmesuressontcomparéesauxmodèlesthéoriquesincluantoupasleseffetsdeshadowingdesfonctionsdes
distributiondespartonsselonlaparamétrisationEPS09.
mult (nb)N/〉〈Wcoll33330246 ALICE2,. p0p3µT-P ><b 1y0csm NGsN e< =V 3 /5.c5.032 TeV Global uncertainty: 4.3%
←
σ µ28
26
24
22
20
0-100% 2-20% 20-40% 40-60% 60-100%
Centrality class
ALI-PUB-118953
Figure3:SectionefficacesdesmuonsdepμT > β0GeV/cprovenantdeladécroissancedubosonWnormaliséparles
nombredecollisionsbinaires,enfonctiondelacentralitédelacollisionproton-plomb.Lacentralitéaétéestiméeparunles
calorimètreàzérodegrésZN.
v
Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Après une introduction des connaissances générales
dephysiquedeshautesénergies,lechapitreβintroduitprincipalementlemodèlestandardetle
diagrammedephasedelamatièrenucléaireetlechapitreγsefocalisesurlathéorieélectrofaible,
la motivation de physique de la présente thèse. Le chapitre δ présente les principes de concep-
tiondesdétecteursd’ALICEetl’utilisationdesdifférentssous-détecteursetlechapitre4montre
l’acquisitionetletraitementdesdonnées. Lechapitre5décritlaméthoded’extractiondessignaux
dubosonWdanslesdonnéesencollisionsproton-plombetdanslechapitre6lamêmeméthode
est utilisée pour l’analyse en collisions proton-proton. Le chapitre 7 est un résumé des résultat
obtenusetlesperspectivesdecesétudes.
Enconclusion,cettethèseprésentelapremièremesuredesbosonsWavecledétecteurALICE.
Danslescollisionsproton-proton,lescalculsthéoriquesreproduisentcorrectementlesmesures
quiontdesincertitudesentre8etβ6%. Danslescollisionsproton-plomb,lescalculsthéoriques
des collisions nucléon-nucléon renormalisés par le nombre de collisions binaires reproduisent
également les données. Toutefois, les calculs tenant compte du shadowing des gluons dans le
noyaudeplombsemblentêtreunmeilleuraccordaveclesmesures,notammentàrapiditépositive
où les effets du shadowing devraient être plus importants. L’étude de la production de boson
W en fonction de la centralité de la collision p–Pb a permis de vérifier la loi d’échelle avec le
nombredecollisionsnucléon-nucléonavecuneprécisiondeβ5%. Certainsrésultatsdecetravail
dethèseontétépubliésdanslarevueJournalofHighEnergyPhysics,volumeβ70γ,page77par
lacollaborationALICEavecletitre“WandZbosonproductioninp–Pbcollisionsat5.0γTeV”.
Mots-clés: Collisions d’ions lourds; Collisions d’hadrons; Plasma de Quarks et de Gluons
(QGP);GrandCollisionneurdeHadron(LHC);ALargeIonColliderExperiment(ALICE);Or-
ganisationEuropéennepourlaRechercheNucléaire(CERN);Bosonélectrofaible;Muon;Fonc-
tiondedistributiondespartons;Collisionsproton-plomb;Collisionsproton-proton
vi
vii
W boson measurement in the muonic decay channel at forward
rapidity with ALICE
A(cid:2443)(cid:2460)(cid:2461)(cid:2459)(cid:2442)(cid:2444)(cid:2461)
With the beginning of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in γ009, a new era in
Quark-GluonPlasma(QGP)physicshasstartedbystudyingheavy-ioncollisionsathighener-
giesinthecentreofmassframe(γ5timeslargerthanthoseintheRHICcollideratBNL).The
LHCrepresentstodayanidealtooltostudythepropertiesofQGPinthelaboratory. ALICE(A
LargeIonColliderExperiment)istheonlyexperimentofLHCspecificallydesignedtomeasure
thoseproperties. Awidevarietyofobservablescanbestudiedbymeansoftheβ8sub-detectorsof
theALICEapparatus,whicharegroupedintwomainelements: thecentralbarrelandthemuon
spectrometer. Withthemuonspectrometer,wecandetecthightransversemomentummuons
anddimuonsinordertomeasureopenheavyflavours,quarkoniaandelectroweakbosonspro-
duction.
ThehighcollisionenergiesavailableattheLHCallowforanabundantproductionofhard
probes, such as quarkonia, high-pT jets and vector bosons (W, Z), which are produced in ini-
tialhardpartonscatteringprocesses. ThelatterdecaybeforetheformationoftheQGP,which
isadeconfinedphaseofQuantumChromoDynamics(QCD)matterproducedinhigh-energy
heavy-ion collisions. Furthermore, their leptonic decay products do not interact strongly with
the QGP. The electroweak bosons provide a way for benchmarking in-medium modifications
tocolouredprobes. InPb–Pbandp–Pbcollisions,precisemeasurementsofW-bosonproduc-
tioncanconstrainthenuclearPartonDistributionFunctions(nPDFs),whichcouldbemodified
withrespecttothenucleonduetoshadowingorgluonsaturation. Inaddition,theycanbeused
totestthescalingofhardparticleproductionwiththenumberofbinarynucleon–nucleoncol-
lisions. Especially in p–Pb collisions, the measurement of W yields at forward and backward
rapidityallowsustoprobethemodificationofnPDFsatsmallandlargeBjorken-x,respectively.
Suchmeasurementscanbebenchmarkedinppcollisions,whereW-bosonproductionistheoret-
icallyknownwithgoodprecision. Also,thechargeasymmetryofleptonsfromW-bosondecays
isasensitiveprobeofupanddownquarkdensitiesinanucleoninsideanucleus.
ALICEhasalreadycompleteddatatakingoflargedatasamplesofppcollisionsat√s=7,8
andβδTeV,p–Pbcollisionsat√sNN=5.0γTeVandPb–Pbcollisionsat√sNN=γ.76and5.0γTeV.
ThedatasamplescollectedinRunβ(i.e. inyearγ009-γ0βδ)allowedustostudytheproductionof
i