Mesure des corrélations photon-hadron dans les collisions Pb-Pb à 5.02 TeV avec l'expérience ALICE au LHC

Measurement of isolated photon-hadron correlations in Pb-Pb collisions at 5.02 TeV with the ALICE experiment at LHC

• Auteur / Autrice : Carolina Arata
• Direction : Julien Faivre, Gustavo Conesa-balbastre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cvetan valeriev Cheshkov, Matthew Nguyen, Marie Germain, Pol bernard Gossiaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cvetan valeriev Cheshkov, Matthew Nguyen

Mots clés

Mots clés libres

Collisionneur LHC

Interaction forte

Plasma de Quarks et de Gluons

Strong interaction

LHC collider

Quark Gluon Plasma

Résumé

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes, produites au Large Hadron Collider (LHC) au CERN, permettent de produire un état de matière en forte interaction, le plasma quark-gluon (QGP), dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Les photons prompts directs sont produits dans les processus de Compton ($rm qg rightarrow gamma rm q$) et d'annihilation ($rm q bar{q} rightarrow gamma rm q$). Étant neutres de couleur, ils n'interagissent pas fortement avec le QGP et peuvent identifier le parton émis en sens opposé au photon à l'origine du processus, qui interagira fortement avec le QGP en perdant de l'énergie. Une telle identification fournit une référence calibrée de son impulsion et de sa direction initiales. L'étude des corrélations directes prompt photon-hadron permet d'accéder à la modification du taux de production des hadrons produits, issus de la fragmentation du parton, et permet de comprendre comment l'énergie perdue par le parton, en raison de la présence du QGP, est redistribuée. Le travail présenté dans ce manuscrit est articulé autour de l'étude de la modification de la production des hadrons issus de la fragmentation du parton via la mesure des corrélations photon-hadron dans les collisions Pb--Pb à une énergie de centre de masse de 5.02 TeV per nucleon mesurée avec l'expérience ALICE lors du Run 2 du LHC (années 2015 et 2018). Tout d'abord, la sélection des photons isolés est discutée : les photons sont détectés avec le calorimètre EMCal d'ALICE et identifiés via une analyse de la forme des amas calorimétriques ; puis la pureté de l'échantillon des candidats est améliorée en utilisant la méthode d'isolation. Ensuite, les défis de l'analyse dus à la grande quantité d'événements sous-jacents et à la présence de photons de fond provenant de diverses sources, telles que les désintégrations de mésons neutres et la fragmentation, sont illustrés. Ma thèse démontre la faisabilité de la mesure dans trois différentes classes de centralité dans les collisions Pb--Pb et l'observation principale faite est la forte suppression du production des hadrons dans les événements centraux par rapport aux événements périphériques et aux simulations pp NLO, en accord avec les calculs théoriques. La dernière partie de la thèse est consacrée à la mise à niveau du FoCal, un calorimètre avant pour améliorer le détecteur ALICE lors du Run 4 (2030-2032). Ma contribution au calorimètre électromagnétique (Focal-E) est présentée, illustrant les tests et les calibrations effectués et mis en œuvre. Quelques résultats obtenus lors des campagnes de test de faisceau au CERN sont également présentés. En conclusion, cette thèse illustre la première mesure des corrélations photon-hadron isolées dans les collisions Pb--Pb réalisée par la collaboration ALICE et produit une référence exhaustive pour les futures données fournies par le LHC, ce qui aidera à réduire les incertitudes dominantes.

Ultra-relativistic heavy-ion collisions, produced at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, allow to produce a state of strongly-interacting matter, the quark-gluon plasma (QGP), in which quarks and gluons are deconfined. Direct prompt photons are produced in Compton ($rm qg rightarrow gamma rm q$) and annihilation ($rm q bar{q} rightarrow gamma rm q$) processes. Since they are colour-neutral, they do not interact strongly with the QGP and they can tag the parton emitted back-to-back to the photon at the origin of the process, which will interact strongly with the QGP losing energy. Such tagging gives a calibrated reference of its initial momentum and direction. The study of the direct prompt photon- hadron correlations gives access to the modification of the yield of the produced hadrons, originated from the parton fragmentation, and permits to understand how the lost energy of the parton, because of the presence of the QGP, is redistributed. The work presented in this manuscript is articulated around the study of the hadron from parton fragmentation modification via the measurement of the photon-hadron correlations in Pb–Pb collisions at center of mass energy of 5.02 TeV per nucleon measured with the ALICE experiment during the LHC Run 2 (years 2015 and 2018). At first, the selection of isolated photons is discussed: photons are detected with the ALICE calorimeter EMCal and identified via calorimeter cluster shape analysis; then the purity of the candidates sample is enhanced using the isolation method. Later on, the challenges of the analysis due to the large amount of underlying event and to the presence of background photons from various sources, such as neutral meson decays and fragmentation, are illustrated. My thesis demonstrates the feasibility of the measurement in three different centrality bins in Pb–Pb collisions and the main observation made, is the strong suppression of the hadron yield in central events compared to peripheral events and pp NLO simulations, in agreement with theoretical calculations. The last part of the thesis is dedicated to the FoCal upgrade, a forward calorimeter to upgrade the ALICE detector during the Run 4 (2030-2032). My contribution to the electromagnetic calorimeter (Focal-E) is presented, illustrating the tests and the calibrations done and implemented. A few results obtained at the test beam campaigns at CERN are also presented. In conclusion, this thesis illustrates the first measurement of isolated photon-hadron correlations in Pb–Pb collisions done by the ALICE Collaboration and produces an extensive benchmarking for the future data delivered by the LHC, which will help to reduce the dominant uncertainties.