Λ/K0s Associated with a Jet in Central Pb–Pb Collisions at √sNN = 2.76 TeV Measured with the ALICE Detector

Sammanfattning: Denna studie handlar om att experimentellt karakterisera ett materietillstånd som existerade under de första miljondelarna av en sekund under Big Bang, som vi kallar för Kvark-Gluon-Plasma. Med stora partikelacceleratorer som Large Hadron Collider (LHC) vid CERN, kan vi genom kärnkollisioner med mycket hög energi nå så pass extrema temperaturer och densiteter att vi kan återskapa och studera detta tillstånd under kontrollerade former i laboratoriet. Mätinstrumentet som används är ALICE-experimentet.För att sätta mitt forskningsområde i perspektiv, måste vi först prata om materia i allmänhet. Den stabila materiens minsta byggstenar är kvarkar som binds samman till protoner och neutroner med kraftförmedlare för den starka kraften, gluoner. Egenskapen hos kvarkarna som genererar den starka växelverkan benäms färgladdning (i analogi med den elektriska laddningen som genreras av elektroner och förmedlas av fotoner). Standardmodellen är en teori som med fantastisk noggranhet beskriver hur alla fundamentala partiklar växelverkar, trots att man inte kan detektera en fri kvark. Kvarkar uppträder nämligen alltid bundna till större partiklar med totalt tre kvarkar ("baryoner"), eller en kvark och en antikvark ("mesoner"), med samlingsnamnet hadroner. I denna avhandling studerar jag neutrala Λ-baryoner och neutrala K0s-mesoner, och hur deras produktion i kärnkollisionerna påverkas av Kvark-Gluon-Plasmat vi skapar i dessa kollisioner.Anledningen till att kvarkarna är bundna till andra kvarkar eller antikvarkar är en fundamental egenskap hos den starka kraften. Om man försöker sära på kvarkarna i en proton genom att tillföra energi, kommer den sammanhållande kraften inte avta med avståndet (som t.ex. den elektromagnetiska kraften gör), utan förblir istället konstant med det ökade avståndet. En analogi som vi alla känner igen är kraften i ett gummiband som ökar ju mer det sträcks ut, tills det till slut går sönder. När "gummibandet" mellan kvarkarna sträcks ut med hjälp av den tillförda energin, kommer man så småningom till ett läge där det blir lättare att skapa ett nytt kvark-antikvarkpar från energin (enligt Einsteins berömda ekvation som omvandlar energi till massa, E = mc2) än att fortsätta dra iväg kvarken. De nya materialiserade kvarkarna bildar således nya hadroner.I denna avhandling går vi åt andra hållet. Om vi fortsätter analogin med gummibandet mellan kvarkarna, skulle detta, om man pressar ihop kvarkarna, hänga slakt, och kraften mellan kvarkarna skulle minska. De skulle känna sig fria, men förstås fortfarande inte kunna sticka iväg. För att pressa samman kvarkarna, och dessutom bilda tusentals nya kvark-antikvarkpar, låter vi blykärnor kollidera vid mycket hög energi i acceleratorn på CERN. Det sker tusentals proton-proton kollisioner i en och samma smäll, och vi får då ett sammanpressat system där kvarkarna och gluonerna inte vet till vilken proton eller neutron de tillhörde från början. Det är detta tillstånd som är Kvark-Gluon-Plasma. När vi krockar blykärnor med varandra skapar vi alltså först ett Kvark-Gluon-Plasma som är extremt hett; med en temperatur på 1000000000000 grader — hundratusen gånger temperaturen i solens centrum — slår vi faktiskt världsrekord i temperatur som uppnåtts i laboratorie-experiment. Den heta materian expanderar snabbt och kyls ned, följt av hadron-bildning, likt den som skedde när universum expanderades och kyldes ner efter Kvark-Gluon-Fasen i Big Bang. Restprodukten av den här hadroniserings-processen är de partiklar som kan detekteras — antingen direkt, om de är långlivade nog att nå vårt detektorsystem ALICE, eller via deras dotterpartiklar, om de hinner sönderfalla på vägen. De hadroner som studeras i avhandlingen (K0s och Λ) är sådana som måste fångas via deras sönderfall till dotterpartiklar.När man studerar blykollisionerna vill man ha något att jämföra med som vi känner till väl. Om kärn-kärn kollisionen bara vore en överlagring av ett tusental oberoende proton-proton kollisioner, vore det en ointressant komplikation av mätningen med tusen gånger fler partiklar på samma gång. Så är det förstås inte. En mängd nya fenomen uppträder när man jämför proton-proton data med kärn-kärn data. Skillnaden är att Kvark-Gluon-Plasmat bildas, och detta sker vid en viss temperatur och energitäthet. När det bildats flera tiotusentals beståndsdelar i en volym som motsvarar en atomkärnas storlek, blir det möjligt att studera detta komplicerade mångpartikelsystem med något som kan beskrivas som den starka växelverkans termodynamik, eller snarare hydrodynamik, d.v.s. statistiska system som kan karakteriseras med relativt enkla sammanfattande storheter som temperatur, tryck, täthet och entropi.Även om det makroskopiska systemet som helhet kan beskrivas i enkla termer, vill vi ju också studera plasmats egenskaper på mikroskopisk nivå eftersom vi där kan analysera kvarkar som är så "fria" som vi förmodligen någonsinn kan hoppas på (enligt standardmodellen). En speciell typ av reaktion på kvarknivå kallas för hård spridning. Det innebär att en stor del av den inkommande rörelsemängden i strålriktningen hos två kolliderande kvarkar omvandlas till rörelsemängd vinkelkrätt mot strålriktningen. När detta sker i proton-proton kollisioner är resultatet slående: två skurar av hadroner, så kallade jets, kommer ut i diametralt motsatta riktningar. När motsvarande fenomen uppträder i kärn-kärn kollisioner med Kvark-Gluon-Plasma ser man ofta bara en jet istället för två. Eftersom rörelsemängden måste bevaras, måste den ena kvarken växelverkat med Kvark-Gluon-Plasmat, och därmed förlorat energi och rödelsemängd. Att förstå de mekanismer med vilka detta sker är nyckelfrågor när vi ska studera Kvark-Gluon-Plasmats egenskaper.I denna avhandling utvecklar och testar vi först en metod att isolera jets som har förlorat energi till plasmat och därför bromsats ner så att dess hadroner har energier som är ganska lika de hadroner som härrör från det expanderade plasmats avkylning och kondensation till hadroner. Metoden visar sig fungera utmärkt. Genom att specialstudera förekomsten av K0s-mesoner och Λ-baryoner finner vi att det kondenserande plasmat ger ca 1.6 gånger fler Λ-baryoner än K0s-mesoner, medan hadroner som har jet-ursprung innegåller ungefär 3 gånger fler K0s än Λ. Det senare förhållandet är i huvudsak detsamma som man ser i jets från proton-proton kollisioner där inget Kvark-Gluon-Plasma bildas — med andra ord: passagen genom plasmat verkar inte ha förändrat jetens hadron-sammansättning, trots att den kinematiskt ändrats mycket genom energiförlust i sin väg genom plasmat. Att förstå det abnorma förhållandet mellan baryonen Λ och mesonen K0s när Kvark-Gluon-Plasmat hadroniserar är förstås ett viktigt led i forskningen. Att kunna separera bidragen från hård spridning med nedbromsade jets från bidraget från det avsvalnande plasmat, som introduceras i detta arbete, är därför av utomordentlig vikt för de fortsatta studierna.