RST – Raport Stiintific si Tehnic in extenso

1. Cuprins

Obiective generale

Obiectivele fazei de executie

Rezumatul fazei

Descrierea stiintifica si tehnica

Studiul jeturilor QCD

Jeturile – baze teoretice

Descrierea jeturilor

Studiul interactiilor proton - proton

Concluzii

2. Obiective generale

Obiectivul general al proiectului consta in analiza detaliata a structurii jeturilor principale in

eveniment si distributia in energie si continut hadronic (particule – rezultat al hadronizarii jerbelor

partonice).

Proiectul se imparte in 3 obiective principale :

O1 : Studiul si caracterizarea ciocnirilor proton-proton la 0,9 TeV.

O2 : Studiul si caracterizarea ciocnirilor proton-proton la 2,76 si 7 TeV si compararea datelor la cele

3 energii.

O3 : Studiul si caracterizarea ciocnirilor Pb-Pb la 2,76 TeV si comparatia cu datele p-p de referinta.

In cadrul acesor studii se vor face comparatii cu rezultatele prezise de programe ca Pythia (diverse

particularizari) si Phojet. Se va cauta punerea in evidenta a diferentelor intre teorie si experiment si

se va urmari caracterizarea proprietatilor materiei QCD, atat in ciocnirile p-p cat si Pb-Pb la

energiile indicate. Prin studiul ciocnirilor p-p, ce se vor constitui ca date de referinta pentru studiile

Pb-Pb, se vor putea trage concluzii privind pierderea de energie a partonilor in mediul QCD si

modul de dezvoltare a jerbelor partonice.

3. Obiectivele fazei de executie

Titlul fazei : Studiul structurii jeturilor (principale) in ciocnirile proton-proton la 0,9 TeV,

comparatia cu diverse rezultate ale unor simulatoare Monte Carlo, studiul evenimentului de fond

(underlying event) proton-proton la 0,9 TeV si comparatia cu diverse rezultate ale unor simulatoare

Monte Carlo.

O1 : Studiul si caracterizarea ciocnirilor proton-proton la 0,9 TeV.

4. Rezumatul fazei

In acest an a fost finalizata structura software de tren de analiza pentru analiza datelor

proton-proton la energiile disponibile, in paralel cu analiza datelor Monte-Carlo de referinta pentru

aceleasi energii. Taskurile (procesele) de analiza au fost adaptate la ultimele modificari din codul de

analiza de jeturi si au fost implementate optimizari privind viteza de citire si procesare a datelor.

Din a doua jumatate a anului 2012 am desfasurat si desfasuram in continuare analize

complexe pe multiple seturi de date (pentru acumularea de statistica), analize ce urmaresc atat

informatii de structura interna a jeturilor produse in ciocniri, cat si criterii de performanta a

parametrilor utilizati in algoritmii de gasire a jeturilor.

Analizele au fost realizate in GRID pentru evenimente de minim bias proton-proton la

energiile incidente in SCM de 0.9, 2.76 si 7 TeV. A fost studiata structura jeturilor principale

(distributii de multiplicitate si impuls transversal, pT) pentru diverse scale de energie transversa ale

jetului. S-a urmarit astfel observarea modificarilor proprietatilor jetului in functie de marimea

acestuia. Rezultatele obtinute, pe date experimentale ALICE, au fost comparate cu cele ale

analizelor echivalente, efecutate asupra unor simulari Monte-Carlo (Pythia - reglaj Perugia 0).

A fost studiata variatia impulsului total transversal cu distanta R din spatiul pseudorapiditate

(η) – unghi azimutal (φ), a celor mai energetice 80% dintre particulele continute in jeturile

principale (leading), acestea fiind in mod uzual definite drept jeturile cu impulsul transversal cel

mai mare din eveniment. Raza se raporteaza la particula din jet cu impulsul transversal, pT, cel mai

mare.

Toate analizele efectuate au pus in evidenta in mod concludent identificarea partonilor

hadronizati din jeturile principale (leading), la o distanta mai mica de 0,2 unitati arbitrare in spatiul

pseudorapiditate (η) – unghi azimutal (φ).

5. Descrierea stiintifica si tehnica, cu punerea in evidenta a rezultatelor fazei si gradul de

realizare a obiectivelor; (se vor indica rezultatele)

Studiul jeturilor QCD

Un fenomen intens studiat al dinamicii cuarcilor si gluonilor este formarea de jeturi. Potrivit

QCD (Quantum ChromoDynamics), partonii de mare impuls, produsi in faza initiala a unei

coliziuni, vor fi supusi unor interactiuni multiple in interiorul regiunii din coliziune, inainte de

hadronizare.

In aceste interactiuni, energia partonilor este redusa prin pierderea de energie de coliziune si

radiatie gluonica indusa de mediu. Prin hadronizare aceste jerbe au aspectul experimental de jeturi

de particule.

In cazul interactiunii nucleare relativiste de mare energie exista posibilitatea sa se formeze o

stare a materiei, numita plasma de cuarci si gluoni, pe scurt, QGP (Quark-Gluon Plasma). Din

cauza temperaturii extrem de ridicate si a densitatii mari, aceasta faza este formata din cuarci si

gluoni liberi.

Stingerea jeturilor este un fenomen care poate aparea in acest tip de coliziuni, in care aceste

jeturi (jerbe partonice) interactioneaza puternic cu mediul, conducand la o reducere a energiei lor.

Aceasta reducere de energie este numita "stingerea jeturilor".

Efectul de stingere a jeturilor în QGP reprezinta o motivatie importanta pentru studierea

jeturilor, a spectrelor de particule de mare impuls si a corelatiilor de particule in ciocnirile de ioni

grei. Reconstructia precisa a jeturilor permite masurari ale functiilor de fragmentare a jeturilor si in

consecinta, a gradului de stingere.

Prin urmare, va oferi o perspectiva cu privire la proprietatile mediului fierbinte si dens QGP

creat in coliziuni. Informatiile obtinute din structura jeturilor si proprietatile lor ofera indicii cu

privire la pierderile de energie in mediul QCD, fenomenul de umbrire si cinematica partonilor

principali.

Jeturile – baze teoretice

Jeturile sunt definite in QCD ca fiind cascade de emisii consecutive de partoni, initiate de

partonii rezultati dintr-o imprastiere tare initiala (figura 1). Partonii produc hadronii observati

datorita confinarii. Dusurile partonice si hadronizarea ulterioara sunt folosite in general pentru

definirea procesului de fragmentare partonica.

Jeturile duble au fost descoperite in 1975 in ciocnirile electron-pozitron, iar studiile detaliate

ale structurii lor au aratat ca impulsul transversal al particulelor asociate cu jetul, relativ la axa

jetului, e mic in comparatie cu impulsul jetului. Colimarea creste cu energia crescanda a jetului.

Figura 1: Ilustrarea modului in care modelele Monte-Carlo de QCD simuleaza o ciocnire

proton-antiproton in care se produce o imprastiere partonica de impuls transvers pT. Evenimentul

rezultant contine particule care provin din cei doi partoni emergenti (plus radiatia in stare initiala si

finala) si particule care provin din breakup-ul protonului si antiprotonului (“remanentele fascicul-

fascicul”). Componenta “imprastierii tari” consta in cele doua “jeturi” emergente plus radiatia in

stare initiala si finala. Evenimentul de baza sau fundamental (underlying) consta in intreg

evenimentul din care extragem cele doua “jeturi” emergente imprastiate tare si contine

“remanentele fascicul-fascicul” plus posibile contributii ale “imprastierii tari” provenind de la

radiatia in stare initiala si finala.

Observarea a trei jeturi coplanare a adus prima evidenta experimentala a existentei

gluonului. In anii urmatori, la colliderii de e+e-, pp si hadronici a fost adunata o mare cantitate de

date referitoare la productia de multiparticule, date care au permis multe teste importante asupra

ambelor aspecte CDC: perturbativ si non-perturbativ.

Ciocnirile de energie mare nucleu – nucleu ne permit sa variem scena fragmentarii

partonice, de la vidul Dirac la mediul QCD si QGP, si studierea proprietatilor acestui mediu prin

modificarile aduse structurii jeturilor. Astfel, partonii de impuls transversal mare, produsi in stadiul

initial al ciocnirii nucleu – nucleu, vor suferi interactii multiple in regiunea ciocnirii inainte de

hadronizare.

Drept urmare, energia partonilor este redusa prin pierdere de energie colizionala si prin

radiatie gluonica indusa de mediu, aceasta fiind de fapt mecanismul dominant in QGP. S-a sugerat

faptul ca stingerea jeturilor este foarte diferita in materia nucleara “rece” si in QGP si a fost propusa

astfel, ca mijloc de investigare a proprietatilor acestei noi stari a materiei nucleare. Aceasta

reprezinta de fapt motivatia principala pentru studierea jeturilor.

De asemenea, pot fi utilizate si alte mijloace de investigare a proprietatilor materiei nucleare

aflate in stari extreme de densitate si temperatura, ca spectrul particulelor cu impuls transvers mare

si corelatia particulelor in ciocnirile ionilor grei.

Prima dovada a pierderii de energie partonice a fost obtinuta la RHIC (Relativistic Heavy

Ion Collider), din supresia particulelor de impuls transvers mare, prin studierea factorului de

modificare nucleara - RAA si de asemenea, din supresia corelatiilor de jeturi “back-to-back” (emise

la 180o in SCM).

In comparatie cu fizica jeturilor la RHIC, exista doua caracteristici, fundamental noi, in

cazul ciocnirilor centrale Pb-Pb de la LHC:

1. Productia de jeturi multiple per event nu este restrictionata la regiunea ET < 2 GeV, ci se

extinde la aproape 20 GeV;

2. Ratele jeturilor sunt mari la energiile la care jeturile pot fi distinse de energia de fond a

evenimentului de baza. Prin urmare, va fi posibila reconstructia eveniment cu eveniment

a jeturilor cu o rezolutie in energie rezonabila.

Din studiile de modificare a structurii jeturilor reconstruite, comparativ cu studiile aferente

factorului de modificare nuclear - RAA, ar rezulta o mult mai mare sensibilitate la proprietatile

mediului. Astfel, pierderea de energie partonica se manifesta prin descresterea numarului de

particule ce poarta o mare fractie – z – a energiei jeturilor si prin aparitia energiei radiate printr-o

crestere a numarului de particule de energie mica, avand z mic.

In plus, se asteapta o largire a distributiei de impuls jet-particula, perpendicular pe axa

jetului – jT, direct legata de densitatea de culoare a mediului. Principala limitare a studiilor

inclusive de particule cu impuls transversal mare este data de faptul ca, pentru scenarii de stingere

extrema a jeturilor, se observa emisii de particule predominat de la suprafata mediului “fierbinte” al

interactiei. Reconstructia este in intregime potential libera de aceste influente, permitind astfel un

studiu detaliat al structurii radiatiei induse.

In opozitie fata de analiza jeturilor la colliderii de hadroni, fondul mare de la evenimentul de

baza pentru ciocnirile de ioni grei impune limitari ale performantei reconstructiei. Intr-un con tipic

cu raza definta de: RC2=(phi

2+eta

2), ne asteptam sa contina pana la 2 TeV de energie. In consecinta,

in cazul ciocnirilor de ioni grei, vor trebui utilizate conuri mai mici.

Descrierea jeturilor

In prezent exista trei componente, de tip teoretic si experimental, ce limiteaza atat

sensibilitatea cautarii compozitiei jeturilor cat si testele QCD:

cunostintele limitate asupra PDF-urilor (Functiilor de Distributie Partonica),

incertitudinile sistematice asociate cu problematica calibrarii energiei jeturilor

si acuratetea inerent limitata a calculelor perturbative de un anumit ordin (NLO –

Next Leading Order), datorita naturii incomplete a calculelor si a algoritmilor de

identificare a jeturilor.

Cunoasterea inadecvata a PDF-urilor si a calibrarii sunt in prezent incertitudinile cele mai

mari, ajungand pentru energiile cele mai mari, la cote superioare valorii de 50%.

Algoritmii de jet pornesc de la o lista de particule, pe care le consideram la nivel

experimental a fi “turnuri calorimetrice” (engl. Calorimeter towers) sau hadroni, iar in calculele

perturbative QCD - partoni.

Rolul algoritmului consta in asocierea clusterilor acestor particule in jeturi, astfel incat

proprietatile cinematice ale jeturilor (de exemplu, impulsul sau energia) sa poata fi relationate la

proprietatile analoage ale partonilor energetici produsi in procesul de imprastiere tare. Prin urmare,

algoritmul de jeturi ne permite sa “vizualizam” partonii (sau, cel putin “amprentele” lasate de

acestia) in starea lor finala, cea hadronica.

Diferentele care apar in proprietatile jeturilor reconstruite, atunci cand comparam nivelul

partonic cu cel hadronic (sau calorimetric) sunt demne de a fi luate in considerare pentru ca un

algoritm de jeturi sa fie considerat ca fiind de calitate. Fiecarei particule i se asociaza cvadrivectorul

impuls-energie μ

ip .

Algoritmul selecteaza un set de particule, emise la unghiuri apropiate si combina impulsurile

lor pentru a forma impulsul jetului. Procesul de selectie il numim “algoritm de jet”, iar regula de

adunare a impulsurilor se cheama “schema de recombinare”.

Acesti doi pasi sunt diferiti din punct de vedere logic. Pentru exemplificare, se poate folosi

un set de variabile cinematice in algoritmul de jeturi pentru a determina particulele dintr-un jet si

apoi se construieste un set diferit de variabile cinematice pentru caracterizarea jeturilor care au fost

identificate.

Studiul interactiilor proton – proton

Pana la sfarsitul lunii septembrie a fost finalizata structura software de tren de analiza pentru

analiza datelor proton-proton la energiile disponibile, in paralel cu analiza datelor Monte-Carlo de

referinta pentru aceleasi energii. Taskurile (procesele) de analiza au fost adaptate la ultimele

modificari din codul de analiza de jeturi si au fost implementate optimizari privind viteza de citire si

procesare a datelor.

In a doua jumatate a anului 2012 am desfasurat si desfasuram in continuare analize

complexe pe multiple seturi de date (pentru acumularea de statistica), analize ce urmaresc atat

informatii de structura interna a jeturilor produse in ciocniri, cat si criterii de performanta a

parametrilor utilizati in algoritmii de identificare a jeturilor.

Figurile 2 si 3 : Distributia cu distanta R a celor mai energetice particule din jeturile principale;

Poate fi observata o tranzitie clara pentru R = 0,2

In figurile 2 si 3 este figurata variatia impulsului total transversal cu distanta R din spatiul

pseudorapiditate – unghi azimutal a celor mai energetice 80% dintre particulele continute in jeturile

principale. Reamintim ca jeturile principale sunt in mod uzual definite ca fiind jeturile cu impulsul

transversal cel mai mare, dintr-un eveniment anume. Raza se ia in raport cu particula din jet ce are

impulsul transversal cel mai mare.

Se observa in mod direct un prag distinct in jurul valorii de raza: R = 0,2. Poate fi trasa

astfel o concluzie preliminara: partonii hadronizati din jet se pot regasi in principal la o distanta mai

mica de 0,2 unitati arbitrare in spatiul η - φ.

Figurile 4 si 5 : Distributia de multiplicitate a jeturilor reconstruite dupa impulsul lor transversal, pT

In figurile 4 si 5 este prezentata variatia numarului total de jeturi reconstruite cu impulsul

transversal al acestora, pentru taieri in impulsul transversal al particulelor incarcate electric,

superioare valorii de 1 GeV. Comparatia a fost efectuata cu datele simulate Monte Carlo, folosindu-

se generatorul Pythia la aceleasi energii.

Se poate observa ca, la aceasta energie, diferentele intre raza utilizata pentru algoritmul de

reconstructie sunt minime, continutul principal al jetului fiind insa intr-o raza a conului din spatiul

pseudorapiditate – unghi azimutal, mai mica de 0,4.

Figura 6 : Raza medie in spatiul pseudorapiditate (η) – unghi azimutal (φ) a jeturilor leading

(principale, LJ) avand in componenta lor cei mai energetici 80% hadroni incarcati electric, raportata

la impulsul transversal al jetului de impuls transversal cel mai mare din eveniment.

Se observa ca : <R(LJ)> < 0,2, pentru orice pT (LJ) < 50 GeV

In figura 6 sunt prezentate dimensiunile jeturilor principale in spatiul η-φ, jeturi ce contin

80% din numarul total de particule incarcate electric, ca functie de impulsul transversal al jetului

leading (principal). Dimensiunea maxima a razei jetului principal a fost regasita a fi inferioara

valorii de 0,2, confirmand astfel concluzia anterior prezentata : partonii din jeturile principale au ca

taiere principala la energia de 2,76 TeV o raza de 0,2 unitati in spatiul unghi azimutal –

pseudorapiditate.

Figura 7 : Distributia combinata de multiplicitate in spatiul pseudorapiditate(η) – unghi azimutal(φ)

a numarului de jeturi principale (LJ) pentru interactiile proton – proton la energia de 7 TeV

In cadrul figurii 7 a fost construita distributia combinata (bidimensionala) de multiplicitate

in spatiul pseudorapiditate (η) – unghi azimutal (φ) a numarului de jeturi leading (LJ) pentru

ciocnirile relativiste proton – proton la 7 TeV.

In ce priveste distributia azimutala se remarca o izotropie a jeturilor principale pe intreg

palierul [0; 2π], asa dupa cum ne asteptam, intrucat nu exista practic o directie privilegiata a

jeturilor de impuls transversal (pT) maximal dupa φ, atunci cand se ia in considerare intreaga

colectie de evenimente proton – proton. Distributia pe palierul pseudorapiditatii [-0,9 ; 0,9] este

cvasi-izotropa, iar la margini scade brusc, fiind in limitele acceptantei geometrice ale volumului

central de detectie (TPC).

Figura 8 : Distributia combinata de multiplicitate a track-urilor principale (TL) in spatiul dat de

variatia pseudorapiditatii (η) fata de pseudorapiditatea track-ului leading

si de asemenea, de variatia unghiului azimutal fata de directia azimutala a TL-ului,

pentru ciocnirile proton – proton la energia de 7 TeV

In figura 8, prezentam distributia dubla de multiplicitate a track-urilor principale (TL) in

spatiul dat de variatia pseudorapiditatii (η) fata de pseudorapiditatea track-ului leading si de variatia

unghiului azimutal fata de directia azimutala a TL-ului, pentru interactii relativiste proton – proton

la 7 TeV.

Intrucat track-ul leading este acea urma lasata de un hadron in detector, particula ce

transporta impulsul transversal maximal dintr-un jet, variatiile η – φ fata de TL sunt in mod asteptat

centrate in jurul valorii (0,0) in zona bidimensionala considerata : [-2 ; 2] x [-π ; π], asa cum se

poate constata din figura de mai sus.

Figura 9 : Distributia combinata de multiplicitate in spatiul construit cu valorile de impuls

transversal (pT) ale track-urilor leading (TL) si de asemenea, cu variatiile unghiului azimutal fata de

directia azimutala a TL-ului, pentru ciocnirile proton – proton la energia de 7 TeV

Figura 9 reprezinta densitatea de track-uri ale particulelor incarcate electric in spatiul

combinat, unghi azimutal (Δφ) – impuls transversal (pT) pentru interactiile proton – proton la

energia in SCM de 7 TeV.

Este ilustrata distributia de impuls transversal a traselor hadronice principale, de impuls

transversal maximal dintr-un jet, in corelatie cu variatia in unghiul azimutal, relativ la directia track-

ului principal (TL) din leading jet (LJ). Regiunea “inainte (forward)” este definita de |Δφ| < 60°,

regiunea “inapoi (away)” de variatii azimutale 120° < |Δφ| < 180°, si in fine, regiune “transversa”

este descrisa de palierul: 60° < |Δφ| < 120°.

Se observa o corelatie azimutala pronuntata in zona “inainte”, caracteristica formarii leading

jeturilor in jurul leading track-urilor de impuls transversal maximal. De asemenea, se observa intr-o

proportie mult mai redusa, o grupare corelativa a track-urilor principale in zona “inapoi”,

caracteristice jeturilor de recul, ce sunt vizibile in special in ciocnirile hadron – hadron. Corelatiile

descrise anterior se mentin cu variatia valorilor de impuls transversal (pT) ale urmelor principale

(TL) lasate de hadronii incarcati electric in volumul de detectie.

6. Concluzii

Analizele au fost realizate in GRID pentru evenimente de minim bias proton-proton la

energiile incidente in SCM de 0.9, 2.76 si 7 TeV. A fost studiata structura jeturilor principale

(distributii de multiplicitate si impuls transversal, pT) pentru diverse scale de energie transversa ale

jetului. S-a urmarit astfel observarea modificarilor proprietatilor jetului in functie de marimea

acestuia.

A fost realizat de asemenea un studiu al distributiei energiei partonului principal prin

hadronizare. In cadrul acestei activitati au fost continuate studiile precedente in functie de

multiplicitate si impuls transversal, pT, acest studiu oferind informatii despre modalitatea de

dezvoltare a jetului. S-a realizat si studiul dependentei de energie a jetului si variatia cu proprietatile

jetului principal. Scopul aceste activitati a constat in extragerea informatiei de distributie a energiei

initiale catre partonii generati si, prin selectarea a diverse energii transverse minime ale jetului

principal, in realizarea identificarii interactiei partonice tari initiale (ISR - Initial State Radiation) si

a interactiilor in stare finala (FSR – Final State Radiation).

A fost studiata si distributia energiei si multiplicitatii in cadrul evenimentului, relativ la axa

jetului principal (in spatiul η-φ) in functie de unghiul azimutal (φ), acest studiu adaugand informatii

privind continutul in materie hadronizata (rezultatul jerbelor partonice) si in energie transversa in

cadrul evenimentului si astfel, indicii ale separarii intre jetul principal (ISR) si restul evenimentului

(FSR). Rezultatele precedente, pe date experimentale ALICE, au fost comparate cu cele ale

analizelor echivalente, efecutate asupra unor simulari Monte-Carlo (Pythia - reglaj Perugia 0).

Analizele efectuate pentru ciocnirile proton-proton au pus in evidenta in mod concludent

identificarea partonilor hadronizati din jeturile principale (leading), la o distanta mai mica de 0,2

unitati arbitrare in spatiul pseudorapiditate (η) – unghi azimutal (φ).

Rezultate cuantificabile obtinute in 2012 :

- 12 lucrari generale ALICE publicate in 2012 (B. Abelev, …, A. Danu, D. Felea, A. Gheata,

M. Gheata, M. Haiduc, D. Hasegan, C.M. Mitu, M. Niculescu, A. Sevcenco, I. Stan, I.S.

Zgura et al.)

- 1 lucrare Proceeding (J. Phys.: Conf. Ser. 368 012014, prezentata la conferinta

internationala) (A. Gheata si M. Gheata)

- 1 lucrare prezentata la Workshop-ul: „Marseille Workshop on Scientific Data Preservation”,

19-21 Noiembrie 2012 (M. Gheata)

- 1 lucrare prezentata la Offline Upgrade Forum (M. Niculescu)

- 2 participari la GridKa School 2012 – Karlsruhe Institute of Technology, Germania (A.

Sevcenco, D. Felea)