Measurement of isolated photons in pp collisions at √s = 7 TeV with ALICE
Authors:   , Marquard Marco 
Published: November 2021

Teilchenkollisionen erlauben einen Einblick in den Aufbau der Materie und in die Interaktion ihrer Konstituenten. Darüber hinaus ermöglichen sie, auch die Vorgänge bei der Entstehung des Universums besser zu verstehen. Um diese vielfältigen Wissensgebiete abzudecken, ist es nötig, verschiedene Observablen und Kollisionssysteme zu untersuchen. Dabei besteht eine besondere Herausforderung darin, für eine theoretisch aussagekräftige Variable eine passende messbare Observable zu finden und unter Berücksichtigung des Experiments einen Messprozess zu entwickeln. Die im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Analysen von Teilchenkollisionen decken viele der genannten Herausforderungen und Zielsetzungen ab. Den Schwerpunkt der Arbeit stellt die Analyse isolierter Photonen bei einer Energie von √s = 7 TeV da. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit auch noch Messungen des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen in Pb–Pb Kollisionen bei einer Energie von √s = 2.76 TeV. Abgesehen vom Kollisionssystem komplementieren sich die beiden Analysen in weiteren Punkten. Die Messung isolierter Photonen stellt die erstmalige Messung dieser Observable mit ALICE da und legt somit die Grundlage für weitere Messungen bei anderen Kollisionssystemen und -energien. Die Messung des mittleren Transversalimpulses beruht dagegen auf einer etablierten Messung und ermöglich somit den Vergleich verschiedener Kollisionssysteme. Ebenso unterscheiden sich die untersuchten physikalischen Prozesse. Mit der Messung isolierter Photonen lassen sich harte Streuprozesse in den Kollisionen untersuchen, während der mittlere Transversalimpuls eine Beschreibung der zugrunde liegenden Kollision ermöglicht. Bei der Messung isolierter Photonen ist zu beachten, dass es sich bei isolierten Photonen um eine messbare Observable handelt, die keinem expliziten physikalischen Prozess zugeordnet werden kann. Das im Rahmen der Analyse verwendete Isolationskriterium dient dazu den Anteil prompter Photonen aus 2→2 Prozessen zu erhöhen. Diese Photonen können zum besseren Verständnis der Partondichtefunktion (PDF) von Gluonen beitragen, wie auch als Referenz für störungstheoretische QCD Rechnungen genutzt werden. Für die Analyse von besonderer Bedeutung ist dabei die Clusterform und die Energie in einem gewissen Radius um das potenzielle Photon. Die Kombination der beiden Messgrößen erlaubt es den Untergrund mithilfe der von CDF und ATLAS etablierten ABCD Methode zu bestimmen. Das auf diese Weise gewonnene Ergebnis erweitert die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts isolierter Photonen am LHC zu niedrigeren Transversalimpulsen. Ebenso werden die bisherigen Messungen des Wechselwirkungsquerschnitts in Abhängigkeit der Skalenvariable xT zu niedrigeren Werten erweitert. Das Hauptaugenmerk der Messung des mittleren Transversalimpulses geladener Teilchen ⟨pT⟩ liegt im Vergleich der Messung für die Kollisionssyteme pp, p-Pb, und Pb-Pb. Um einen direkten Vergleich zwischen den unterschiedlichen Kollisionssystemen zu erhalten, wird ⟨pT ⟩ gegen die wahre Multiplizität nch gemessen. Da der Multiplizitätsbereich von pp und p-Pb Kollisionen limitiert ist, wird die Analyse in Pb–Pb Kollisionen auf nch = 100 begrenzt. Dieser Bereich entspricht peripheren Pb–Pb Kollisionen. Ein besonderer Fokus der Analyse liegt auf der Bestimmung und Reduktion des elektromagnetischen Hintergrundes in peripheren Pb–Pb Kollisionen und der Bestimmung von nch auf Basis der gemessenen Multiplizität nacc . Die unterschiedlichen Kollisionssysteme zeigen ein ähnliches Verhalten mit steigender Multiplizität. Der steilste Anstieg findet bei niedrigen Multiplizitäten statt und ändert sich für alle Kollisionssysteme bei nch = 14. Mit höheren Multiplizitäten reduziert sich die Steigung weiter, wobei der Effekt bei Pb–Pb Kollisionen am stärksten ausgeprägt ist.