Hadronic final states in diffractive pp scattering at √s=13 TeV using the ATLAS detector

Abstract

Niniejsza praca doktorska jest poświęcona badaniom rozkładów cząstek naładowanych produkowanych w oddziaływaniach dyfrakcyjnych proton-proton zachodzących na akceleratorze LHC. Jedną z sygnatur takich oddziaływań jest nietknięty, lecz spowolniony proton poruszający się w przód pod bardzo małym kątem względem osi wiązki, tzw. proton rozproszony dyfrakcyjnie W danych użytych w tej pracy protony dyfrakcyjne były rejestrowane przez specjalnie do tego celu skonstruowane detektory AFP, stanowiące jeden z poddetektorów eksperymentu ATLAS. Zostały one zainstalowane w tunelu LHC w 2016 roku. Analiza przeprowadzona w niniejszej pracy jest oparta na danych o scałkowanej świetlności wynoszącej około 51 nb-1, pochodzących z oddziaływań proton--proton zachodzących przy energii w układzie środka masy równej 13 TeV. Zostały one zebrane podczas jednego z tzw. runów w 2017 roku. Warto podkreślić, że jest to pierwsza analiza fizyczna wykorzystująca dane zebrane przez detektory AFP. W tej rozprawie zmierzono rozkłady cząstek naładowanych produkowanych w centralnej części detektora ATLAS. Rozkłady te przedstawiają krotności produkowanych cząstek, ich pędy poprzeczne oraz zmienną pseudorapidity, mówiącą o rozkładzie kątowym cząstek. Domyślny obszar, w którym mierzone są rozkłady cząstek, odpowiada względnej stracie energii protonu dyfrakcyjnego wynoszącej 3,5 - 8%. Dodatkowo zakres ten został podzielony na trzy podobszary równej szerokości, w których również zostały zmierzone wspomniane wcześniej rozkłady cząstek. W analizie akceptowano przypadki, w których wymagano, aby pęd poprzeczny cząstki był większy od 500 MeV i by wartość bezwzględna pseudorapidity była mniejsza niż 2,5. Zmierzone rozkłady zostały poprawione ze względu na obecność tła. Zastosowano również poprawki związane z efektywnością rekonstrukcji wierzchołków i śladów oraz akceptancją detektorów. Przewidywania dwóch modeli oddziaływań: PYTHIA 8.2 i EPOS zostały porównane do danych.

This thesis is devoted to a study of the charged particle distributions in diffractive events. Diffractively scattered protons were tagged using a dedicated forward detector of the ATLAS experiment at the LHC, the AFP detector. This detector was installed in the LHC tunnel in 2016. The present analysis was performed using the data sample corresponding to an integrated luminosity of 51 nb¡1 of proton–proton collisions at the centre-of-mass energy of 13 TeV, collected in 2017. It is worth to emphasize that this is the first physical analysis using data collected by the AFP detector. The charged particle multiplicities, their transverse momenta and pseudorapidities were measured. The measurements were performed in different regions of the relative energy loss of diffractively scattered protons. Events were selected by asking at least one primary stable charged particle with a transverse momentum of at least 500 MeV and the absolute value of pseudorapidity smaller than 2.5. The relative energy loss range of diffractively scattered protons in this dissertation is between 0.035 and 0.08 what can be translated into the diffractive mass ranges of 2.4 TeV and 3.7 TeV. The measured distributions were corrected for two estimated kinds of background. Corrections related to the vertex and track reconstruction efficiences were applied. Finally, the obrained distributions were compared with the results offered by two Monte Carlo generators, PYTHIA 8.2 and EPOS.