Riassunto analitico
La teoria dell'interazione forte, o Cromodinamica Quantistica (QCD), prevede l'esistenza di una nuova fase della materia nucleare in condizioni di elevata temperatura e/o di elevata densità. Questo stato , composto da quark e gluoni deconfinati , è noto sotto il nome di "plasma di quark e gluoni" (Quark-Gluon Plasma, QGP). La determinazione della sua composizione e delle sue proprietà rappresenta un tema di ricerca centrale nella fisica nucleare del XXI secolo al fine giungere ad una migliore comprensione delle simmetrie e dei meccanismi fondamentali che sono all'origine del confinamento dei quark all'interno degli adroni e dell'interazione forte nel suo insieme. L'acceleratore LHC (Large Hadron Collider) al CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) permette di raggiungere le condizioni termodinamiche necessarie alla formazione del plasma di quark e gluoni per mezzo di collisioni di ioni pesanti (Pb) ultra-relativistici. L'esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) consente di sondare un grande numero di osservabili per caratterizzare il QGP a partire dalla ricostruzione e dall'identificazione delle particelle prodotte durante le collisioni. Tra queste osservabili, particolare interesse è stato rivolto alla produzione di fotoni "pronti" associata all'emissione di un jet adronico nella direzione opposta. Questi fotoni, caratterizzati da un elevato valore della quantità di moto trasversa (cioè della componente dell'impulso ortogonale alla direzione di moto dei fasci di ioni che vengono fatti collidere), sono il risultato dei processi di diffusione partone-partone aventi luogo nei primissimi istanti successivi alle collisioni (t < 1 fm/c). Non essendo influenzati dall'interazione forte con il mezzo nucleare caldo e denso che si forma a seguito delle collisioni di ioni pesanti, questi fotoni permettono di risalire direttamente all'energia iniziale del jet (che interagisce invece col mezzo nucleare): la loro analisi consente dunque di caratterizzare l'interazione e la perdita di energia dei partoni ("jet quenching") all'interno del plasma, permettendo così uno studio delle caratteristiche fisiche del mezzo (temperatura, densità). Per misurare l'energia dei fotoni pronti è necessario discernere il loro segnale dall'elevato fondo caratteristico delle collisioni nucleo-nucleo (definito come l'insieme di tutti i processi, eccetto le interazioni partoniche dure al primo ordine, che contribuiscono alla produzione dello stato adronico finale della collisione) e distinguerli correttamente dai fotoni "di frammentazione" prodotti dal decadimento dei mesoni leggeri (in particolare del pione neutro). A tal fine, questo lavoro di tesi si è focalizzato in primo luogo sullo sviluppo di un metodo di sottrazione del fondo dai dati delle collisioni Pb-Pb e in secondo luogo sull'elaborazione e applicazione di una tecnica d'analisi che permette di identificare i fotoni pronti prodotti nelle primissime fasi delle collisioni.
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Abstract
The strong interaction theory, Quantum Chromodynamics (QCD), predicts a new phase of nuclear matter at very high temperature and/or very high density. This state, composed of deconfined quarks and gluons, is known as quark-gluon plasma (QGP). The measurement of its composition and properties is a challenge for the nuclear physics of 21st century and should lead to a better understanding of the fundamental symmetries and mechanisms characterizing the confinement of quarks within hadrons and, more generally, the strong interaction.
The Large Hadron Collider (LHC) accelerator at CERN (European Organization for Nuclear Research) allows to reach the thermodynamic conditions required to create the quark-gluon plasma using ultra-relativistic heavy-ion (Pb) collisions. The ALICE experiment (A Large Ion Collider Experiment) allows to access several probes to characterize the properties of QGP through the reconstruction and the identification of the particles produced within these collisions. Among these probes, the back-to-back emission of a prompt photon and a jet of partons (quarks, gluons) is particularly interesting. Prompt photons, characterized by high transverse momenta (namely high values of the linear momentum component perpendicular to the direction of motion of the colliding ion beams), result from the parton-parton scattering processes that take place in the very first moments following the collisions (t < 1 fm/c). Since they are not affected by the strong interaction with the hot and dense nuclear medium resulting from heavy-ion collisions, prompt photons provide a non-biased reference for the initial energy of the jet (which, on the contrary, strongly interacts with the medium): their analysis thus allows to characterize parton interaction and energy loss (jet quenching) within the plasma and, eventually, to determine the physical properties of the nuclear medium (such as temperature and density).
In order to measure the energy of prompt photons, it is necessary to discriminate their signal from the background due to the so-called "underlying event" (defined as the ensemble of all the processes leading to the final state of the collision, except for first order parton-parton hard interactions) and to correctly distinguish them from the fragmentation photons produced by the decay of light mesons (especially the neutral pion). For this purpose, this thesis work focused firstly on the development of a background subtraction method to be applied to Pb-Pb collision data; secondly, an isolation method for prompt photon identification was implemented.
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