Measurement of the azimuthal anisotropy in Pb+Pb collisions at √SNN = 5.02 TeV with the ATLAS detector at the LHC

Abstract

Przepływ anizotropowy jest zjawiskiem charakterystycznym dla występowania Plazmy kwarkowo-gluonowej (ang. Quark- Gluon Plasma - QGP). Plazma kwarkowogluonowa jest to bardzo gorąca i bardzo gęsta materia, która może być wyprodukowana w ultrarelatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów. Materia wykazuje właściwości charakterystyczne dla idealnej cieczy z bardzo małą lepkością, dlatego też dobrym źródłem informacji o plazmie jest badanie kolektywnego przepływu cząstek wyprodukowanych w zderzeniach jądrowych. Pomiar anizotropowego przepływu cząstek naładowanych pozwala na eksperymentalne poznanie jej ewolucji w czasie oraz poznanie warunków początkowych. Powszechnie uważa się, że źródłem anizotropii azymutalnej jest asymetryczny kształt początkowego obszaru oddziaływania dwóch jąder. Asymetria kształtu obszaru oddziaływania prowadzi do powstania gradientów ciśnień wewnątrz QGP, w wyniku których obserwuje się wzmożoną produkcje cząstek w kierunku płaszczyzny reakcji. Rozkład kąta azymutalnego wyprodukowanych cząstek względem płaszczyzny reakcji opisywany jest poprzez szereg Fouriera. Przedmiotem rozprawy jest wyznaczenie harmonicznych rozwinięcia Fouriera, vn, dla rozkładów azymutalnych kątów cząstek produkowanych w zderzeniach Pb+Pb przy energii √sNN = 5.02 TeV w eksperymencie ATLAS na LHC. Prezentowana analiza wykorzystuje dane minimum-bias o scałkowanej świetlności 22 μb -1. Ponadto, statystyka najbardziej centralnych zderzeń jest zwiększona przez użycie dedykowanych wyzwalaczy (ang. “ultra-central” triggers), które zebrały scałkowaną świetlność odpowiadającą 0.49 nb-1. Współczynniki vn są wyznaczone dla n = 2-7 w szerokim zakresie pędów poprzecznych, 0.5 < pT < 60 GeV, pseudorapidity, η < 2.5 a także zderzeń jonów, 0–80%. Pomiar anizotropowego przepływu został przeprowadzony przy pomocy dwóch metod badawczych: metody płaszczyzny reakcji (ang. event-plane) oraz metody iloczynu skalarnego (ang. scalar-product). Otrzymane rezultaty są porównane między sobą jak również z komplementarną metodą korelacji dwucząstkowych (ang. two-particle correlations) oraz z rezultatami eksperymentu CMS. Dodatkowe porównania z wynikami uzyskanymi przy niższej energii zderzenia (√sNN = 2.76 TeV), z wynikami otrzymanymi dla zderzeń Xe+Xe oraz z przewidywaniami teoretycznymi są również zawarte w niniejszej pracy. Prezentowana rozprawa zawiera precyzyjne pomiary współczynników przepływu, które stanowią istotne narzędzie do testów modeli teoretycznych, w szczególności w istotny sposób mogą przyczynić się do uzyskania kluczowych informacji o warunkach początkowych układu, a także do zrozumienia dynamicznej ewolucji plazmy kwarkowo-gluonowej.

Azimuthal anisotropy of particles produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions provides unique information about the created hot and dense medium. It is one of the main signatures that, a new state of matter, Quark-Gluon Plasma (QGP) is formed in the nuclear interactions with properties resembling those of perfect fluid, characterised by very low viscosity. The study of azimuthal anisotropy in heavy-ion collisions provides an insight into the initial conditions and collective expansion of QGP. The azimuthal anisotropy originates from the asymmetric shape of the initial volume of the two nuclei interaction. The asymmetry of the collision zone leads to the formation of huge pressure gradients inside the QGP fluid and thereby to intensified particle production along the reaction plane direction. The azimuthal angle distribution of created particles relative to the reaction plane is commonly described by the Fourier series. The main goal of the thesis is to determine the Fourier harmonics amplitudes, vn, of azimuthal angle distributions of charged particles produced in Pb+Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV in the ATLAS detector at the LHC. Presented analysis utilises the minimum-bias sample of the integrated luminosity of 22 μb -1. Furthermore, the event statistics in the most central collisions are enhanced by dedicated “ultra-central” triggers that sampled the total luminosity of 0.49 nb-1. The vn harmonics are measured for n = 2–7 over an extended transverse momentum range (pT = 0–60 GeV) and wide ranges of pseudorapidity (η < 2.5) and collision centrality (0–80%). The measurements are based on the event-plane and the scalar-product methods. The results obtained with these methods are compared to each other as well as to complementary results of the two-particle correlation analysis and to the measurements from the CMS experiment. Furthermore, the comparisons with measurements obtained with the lower collision energy of the Pb+Pb system (√sNN = 2.76 TeV), also with new data from the Xe+Xe collision system and to theoretical predictions are also performed. The results obtained in this thesis are one of the most precise measurements of the flow harmonics and thus allow for strong tests of theoretical models, in particular for testing the ultra-relativistic hydrodynamics that is customarily used to explain the QGP evolution.