Studies of Multi-Parton Interactions in Diffractive Processes with the ATLAS Forward Proton Detectors

Abstract

Niniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest pomiarowi efektów oddziaływań wielopartonowych występujących w przypadkach dyfrakcyjnych w zderzeniach proton-proton na akceleratorze LHC. Jedną z sygnatur takich oddziaływań jest obecność nietkniętego protonu, zwanego protonem dyfrakcyjnym, który może być zmierzony przez detektory do przodu. Przykładem takich detektorów, będących częścią eksperymentu ATLAS, są detektory AFP. Analiza prze- prowadzona w niniejszej pracy opiera się na danych o scałkowanej świetlności wynoszącej około 56 nb−1, pochodzących z oddziaływań proton-proton przy energii zderzenia w układzie środka masy wynoszącej 13 TeV. Dane te zostały zebrane w 2017 roku w trakcie specjalnych okresów zbierania danych, w których akcelerator pracował z niską świetlnością chwilową. Warto podkreślić, że to jest pierwsza analiza mająca na celu pomiar efektów oddziaływań wielopartonowych w przypadkach dyfrakcyjnych. W pracy analizowano rozkłady wrażliwe na efekty oddziaływań wielopartonowych: średniej krotności naładowanych śladów, sumy pędów poprzecznych naładowanych śladów i średni pęd poprzeczny naładowanych śladów. Obserwable te oparto o naładowane ślady, których absolutna wartość pseudorapidity jest mniejsza niż 2,5 oraz i których pęd poprzeczny jest większy niż 500 MeV. Ponadto wymagana była obecność naładowanego śladu, sładu wiodącego, którego pęd poprzeczny przekracza 1 GeV, oraz dyfrakcyjnego protonu, którego względna stata energii wynosi pomiędzy 3,5 i 8%. Pomiar został przeprowadzony w trzech obszarach kąta azymutalnego wyznaczanego względem śladu wiodącego. Obszary te charakteryzują się różną czułością na efekty oddziaływań wielopartonowych. Otrzymane rozkłady badanych obserwabli zostały poprawione na efekty związane z wydajnością rekonstrukcji wierzchołka i śladu oraz wydajnością trygera AFP. Oszacowane zostały również przyczynki dwóch rodzajów tła. Przewidywania modelu Monte Carlo, Pythia 8 A2, dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, zostały skonfrontowane z wynikami pomiarów. Okazało się, że model ten nie potrafi opisać mierzonych zależności. Prze- prowadzono próbę justowania parametrów modelu Pythia 8 A2 dla oddziaływań pojedynczej dysocjacji dyfrakyjnej, w wyniku której otrzymano wersję modelu dostarczającą znacznie lepszy opis danych doświadczalnych.

This thesis is devoted to the study of the effects of Multi-Parton Interactions in diffractive events observed in proton-proton interactions at the Large Hadron Collider. Intact protons originating from such events were tagged and measured by dedicated forward detectors of the ATLAS experiment at the LHC – the AFP detectors. These detectors are installed in the LHC tunnel about 2̃10 m from the interaction point. The analysis was performed using the data sample, corresponding to the integrated luminosity of 56 nb−1, of proton-proton collisions at the centre-of-mass energy of √s= 13 TeV. These data were collected in 2017 in a dedicated run with low instantaneous luminosity. The presented study is the first attempt to analyse the MPI effects in a sample enhanced with diffractive processes. The measured MPI sensitive observables are: the mean charged track multiplicity, the mean of the sum of the charged particle track transverse momenta, and the mean charged track transverse momentum. The observables were constructed using charged particle tracks with the absolute pseudorapidity up to 2.5 and with the transverse momentum greater than 500 MeV. In addition, the presence of the leading track, the charged particle track with the transverse momentum above 1 GeV, and a diffractively scattered proton with the relative energy loss between 3.5% and 8% were required. The measurements were performed in three regions of the azimuthal angle defined with respect to the leading track. These regions have different sensitivity to MPI. Two types of background were estimated and their contributions were subtracted statistically from the experimental distributions. The results were corrected for the detector effects – the track and vertex recon- struction efficiencies and the AFP trigger inefficiency. Predictions of the Pythia 8 A2 single diffractive Monte Carlo were compared to the experimental results and it was found that they fail to reproduce the data. Tuning of the Pythia 8 single diffractive Monte Carlo parameters was attempted and the resulting model provides a much better description of the experimental data.