Rapporto di produzione di mesoni D strani e non strani in collisioni protone-protone a 13.6 TeV

L’esperimento ALICE al Large Hadron Collider (LHC) studia la fisica del Quark-Gluon Plasma, uno stato della materia in cui il colore è deconfinato e che può essere prodotto in collisioni ultrarelativistiche di ioni pesanti. I quark pesanti (charm e beauty) sono prodotti nelle prime fasi della collisione a causa della loro elevata massa e interagiscono con il mezzo prodotto nella collisione, perdendo energia tramite interazioni con i suoi costituenti. Rappresentano quindi delle eccellenti sonde delle proprietà del QGP. Un aumento della produzione di quark strani nel QGP è aspettato a causa della loro piccola massa in confronto alla temperatura del mezzo, che ne permette la produzione termica. La produzione di adroni strani in collisioni protone-protone (pp) e p–Pb presenta un trend cresente con la molteplicità di particelle cariche prodotte nella collisione, saturando ad alta molteplicità allo stesso livello di collisioni di ioni pesanti. Questo porta a domandarsi se piccole gocce di QGP possano formarsi nelle collisioni pp ad altissima molteplicità, o se l’aumento di stranezza sia dovuto ad altri meccanismi. Nel settore dei quark pesanti, è possibile studiare questo effetto tramite la produzione del mesone charm-strano Ds+. In particolare, il rapporto tra la sua produzione e quella di mesoni D non strani come il D0 o il D+ è sensibile a eventuali aumenti nella produzione di stranezza. Scopo di questa Tesi è la misura precisa del rapporto di produzione Ds+/D+ differenziale in impulso trasverso (pT) in collisioni pp a √s = 13.6 TeV con l’esperimento ALICE. Durante il Long Shutdown 2 di LHC (2019–2021), l’apparato di ALICE è stato aggiornato, migliorandone la performance di tracciamento e aumentando il readout rate, permettendo di raccogliere una maggiore quantità di dati. Questo ha permesso di migliorare le capacità di studiare il QGP tramite quark pesanti. I mesoni Ds+ e D+ sono ricostruiti nello stesso canale di decadimento adronico Ds+, D+ → ϕπ+ → K+ K– π+. Dato l’elevato numero di particelle prodotte in una collisione, una grande quantità di fondo combinatoriale, dovuta alla combinazione di 3 tracce indipendenti, contamina la regione di segnale. Per sopprimere questo fondo e selezionare i segnali di mesoni D, algoritmi di Machine Learning sono utilizzati. Grazie all’algoritmo multiclasse XGBoost, il segnale viene estratto nella regione 0.5 < pT < 24 GeV/c tramite fit alla distribuzione di massa invariante delle candidate di segnale selezionate. Mesoni D non-prompt, ovvero prodotti nel decadimento di un adrone contenente un quark beauty, sono separati dallo stesso algoritmo. Per valutare il rapporto di produzione Ds+/D+, le correzioni per efficienza, frazione prompt e branching ratio sono valutate e applicate al segnale grezzo per ottenere l’osservabile finale. La misura di rapporti di produzione permette di cancellare alcune sorgenti di incertezza sistematica. Tuttavia, la misura è comunque affetta da scelte arbitrarie e da una non perfetta descrizione dei dati nelle simulazioni Monte Carlo. Questo potrebbe potenzialmente portare a dei bias nei risultati. Le incertezze sistematiche legate a questi fattori sono stimate e variano tra il 4% e il 3% a seconda del pT. Infine, i rapporti di produzione Ds+/D+ sono confrontati con misure delle Collaborazioni ALICE e LHCb. I risultati sono compatibili entro le incertezze, suggerendo che il rapporto sia indipendente da energia e rapidità.

The ALICE detector at the Large Hadon Collider (LHC) is designed to address the physics of the Quark-Gluon Plasma, a colour-deconfined state of matter produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions. Heavy-flavour quarks (i.e. charm and beauty) are produced in the earliest stages of the collision due to their large masses and interact with the formed medium, losing energy through interactions with its constituents. Therefore, they are excellent probes of the properties of the QGP. The production of strange quarks is expected to be enhanced in the QGP due to their small masses compared to the medium temperature, allowing for the thermal production of strange quark-antiquark pairs. The production of strange hadrons in proton-proton (pp) and p–Pb collisions presents a growing trend with the charged-particle multiplicity, saturating at high multiplicities at the same level reached in heavy-ion collisions. This raises the question of whether small droplets of QGP could be formed in the highest-multiplicity pp collisions, or if the strangeness production is driven by other mechanisms. In the heavy-flavour sector, it is possible to investigate the strangeness enhancement phenomenon by studying the production of the charm-strange Ds+ meson. In particular, its production yield ratio with respect to non-strange D-mesons such as D0 and D+ is a sensitive probe for this effect. This Thesis is devoted to the precision measurement of the transverse momentum (pT)-dependent Ds+ /D+ production yield ratio in pp collisions at √s = 13.6 TeV with the ALICE experiment at the LHC. During the LHC Long Shutdown 2 (2019–2021) the ALICE detector was upgraded by enhancing the tracking performance and increasing the readout rate to collect larger data samples, improving its capabilities to probe the QGP with heavy-flavour quarks. Ds+ and D+ mesons are reconstructed into the same hadronic decay channel Ds, D → ϕπ → K K π. Due to the large number of particles produced in a collision, the combinatorial background, i.e. the background arising from the random combination of 3 tracks, represents a significant source of contamination in the signal region. Machine learning algorithms are exploited to suppress this background and select D-meson signals. The employed multiclass XGBoost algorithm allows to extract signal in different transverse momentum intervals within the range 0.5 < pT < 24 GeV/c, by fitting the invariant mass distribution of candidates passing the ML selection. Non-prompt D meson, produced in the decay of a hadron containing a beauty quark, are also separated. To evaluate the production yield ratio, corrections for the selection efficiency, prompt fraction and branching ratio are evaluated and applied to the raw yields to obtain the final observable. Although the measurement of particle-production yield ratio allows for the cancellation of some of the systematic uncertainties, the measurement is still affected by several arbitrary choices during the analysis process, and by imperfect descriptions of data in Monte Carlo simulations, which could potentially bias the final result. The related systematic uncertainty is estimated and ranges from 4% to 13% depending on pT. Finally, the measured Ds+/D+ production yield ratio is compared to measurements performed by the ALICE and LHCb Collaborations. The results are compatible within uncertainties, which show an energy and rapidity independence of the ratio.