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 : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 08/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble, Isère, France ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Germain, Pol-Bernard Gossiaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cvetan Cheskov, Matthew Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Plasma quark-gluon

Hadrons

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Collisionneur LHC

Interaction forte

Plasma de Quarks et de Gluons

Expérience ALICE

Photons

Méthode d’isolation

Strong interaction

LHC collider

Quark Gluon Plasma

Résumé

Les collisions d’ions lourds ultra-relativistes, produites au Large Hadron Collider (LHC) auCERN, 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 (qg → γq) etd’annihilation (q¯q → γq). Étant neutres de couleur, ils n’interagissent pas fortement avec leQGP 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 fournitune référence calibrée de son impulsion et de sa direction initiales. L’étude des corrélationsdirectes prompt photon-hadron permet d’accéder à la modification du taux de production deshadrons produits, issus de la fragmentation du parton, et permet de comprendre commentl’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 modificationde la production des hadrons issus de la fragmentation du parton via la mesure des cor-rélations photon-hadron dans les collisions Pb–Pb à une énergie de centre de masse de 5.02TeV per nucleon mesurée avec l’expérience ALICE lors du Run 2 du LHC (années 2015 et2018). Tout d’abord, la sélection des photons isolés est discutée : les photons sont détec-tés avec le calorimètre EMCal d’ALICE et identifiés via une analyse de la forme des amascalorimétriques ; puis la pureté de l’échantillon des candidats est améliorée en utilisant laméthode d’isolation. Ensuite, les défis de l’analyse dus à la grande quantité d’événementssous-jacents et à la présence de photons de fond provenant de diverses sources, telles que lesdésintégrations de mésons neutres et la fragmentation, sont illustrés.Ma thèse démontre la faisabilité de la mesure dans trois différentes classes de centralitédans les collisions Pb–Pb et l’observation principale faite est la forte suppression du produc-tion des hadrons dans les événements centraux par rapport aux événements périphériques etaux 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 calorimètreavant pour améliorer le détecteur ALICE lors du Run 4 (2030-2032). Ma contribution aucalorimètre électromagnétique (Focal-E) est présentée, illustrant les tests et les calibrationseffectués et mis en œuvre. Quelques résultats obtenus lors des campagnes de test de faisceauau CERN sont également présentés.En conclusion, cette thèse illustre la première mesure des corrélations photon-hadronisolées dans les collisions Pb–Pb réalisée par la collaboration ALICE et produit une référenceexhaustive pour les futures données fournies par le LHC, ce qui aidera à réduire les incerti-tudes dominantes.

Ultra-relativistic heavy-ion collisions, produced at the Large Hadron Collider (LHC) atCERN, 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 (qg → γq) and annihilation (q¯q → γq)processes. Since they are colour-neutral, they do not interact strongly with the QGP andthey 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 calibratedreference 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 energyof the parton, because of the presence of the QGP, is redistributed. The work presented inthis manuscript is articulated around the study of the hadron from parton fragmentationmodification via the measurement of the photon-hadron correlations in Pb–Pb collisionsat center of mass energy of 5.02 TeV per nucleon measured with the ALICE experimentduring the LHC Run 2 (years 2015 and 2018). At first, the selection of isolated photonsis discussed: photons are detected with the ALICE calorimeter EMCal and identified viacalorimeter cluster shape analysis; then the purity of the candidates sample is enhancedusing the isolation method. Later on, the challenges of the analysis due to the large amountof underlying event and to the presence of background photons from various sources, suchas neutral meson decays and fragmentation, are illustrated.My thesis demonstrates the feasibility of the measurement in three different centralitybins in Pb–Pb collisions and the main observation made, is the strong suppression of thehadron yield in central events compared to peripheral events and pp NLO simulations, inagreement with theoretical calculations.The last part of the thesis is dedicated to the FoCal upgrade, a forward calorimeterto upgrade the ALICE detector during the Run 4 (2030-2032). My contribution to theelectromagnetic calorimeter (Focal-E) is presented, illustrating the tests and the calibrationsdone and implemented. A few results obtained at the test beam campaigns at CERN arealso presented.In conclusion, this thesis illustrates the first measurement of isolated photon-hadroncorrelations in Pb–Pb collisions done by the ALICE Collaboration and produces an extensivebenchmarking for the future data delivered by the LHC, which will help to reduce thedominant uncertainties.