Misura dei contributi primario e secondario nella produzione di mesoni D+ con l'esperimento ALICE a LHC

The main topic of my thesis is the measurement of the D+-meson production in p-Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair √sNN=5.02 TeV with A Large Ion Collider Experiment (ALICE) at the Large Hadron Collider (LHC). The ALICE experimental programme is focused on the study of the Quark-Gluon Plasma (QGP), a phase of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined, that can be created in the laboratory through ultra-relativistic heavy-ion collisions. Open heavy-flavoured mesons (particles made of one heavy quark, i.e. charm or beauty, and one lighter quark) are a unique tool to study and characterise the properties of the deconfined medium, since the heavy quarks are produced in the initial stages of the collision, and therefore they experience the whole system evolution losing energy in the QGP, both through elastic scatterings with the medium constituents and gluons radiation. Since charm and beauty quarks have a different mass, they lose energy differently in the QGP and therefore it is crucial to be able to distinguish prompt D mesons (which derive directly from the hadronisation of a charm quark or from the decay of excited open charm and charmonium states) from D mesons coming from B-hadron decays. The study of p-A collisions, in which the QGP formation is not expected, can provide an important measurement of the Cold Nuclear matter effects, such us the modification of the PDF in a nuclear environment, which cannot be disentangled from hot medium effects in A-A collisions. In my thesis the D+-meson candidates are reconstructed from the purely hadronic decay channel D+ → K-π+π+, using a method based on fully reconstructed decay topologies displaced from the interaction vertex passing geometrical and particle identification selections. The signal is extracted via an invariant-mass analysis of the candidates. The first step of my work was the development of a method to evaluate the fraction of prompt D+-mesons in the measured raw yield based on an unbinned log-likelihood fit to the distribution of the candidate impact parameter, which is defined as the distance of closest approach between the reconstructed flight line of the candidate and the primary vertex. The results were compared with the pT-differential cross section measured following the standard approach, in which the fraction of prompt D+ is evaluated exploiting perturbative QCD calculations. A second analysis method I developed is the one based on the usage of different sets of selection criteria on the D-meson decay topology, which can discriminate primary from secondary D-mesons. Finally, I focused on the data analysis using a different vertex-reconstruction approach with respect to the one used for the results published until now by the Collaboration and which is based on the Kalman filter algorithm. Even though the first two methods are at the moment limited by statistics, they show a good agreement with the standard result obtained by perturbative QCD calculations and they open up the possibility to measure the prompt D-meson production cross section using a data-driven approach. On the other hand, the Kalman Filter based method allows one to reduce significantly the contribution of D-mesons coming from B decays, thanks to the possibility to set constraints on the decay topology. Finally the results obtained with all the methods developed were compared among each other and found to be in agreement within the experimental uncertainties.

L'argomento principale della mia tesi è la misura della produzione di mesoni D+ in collisioni p-Pb ad un'energia del centro di massa per coppia di nucleoni pari a √sNN=5.02 TeV con l'esperimento ALICE (acronimo di A Large Ion Collider Experiment) al Large Hadron Collider (LHC). Il programma sperimentale di ALICE è focalizzato sullo studio del Quark-Gluon Plasma (QGP), uno stato della materia nucleare nel quale i quark e i gluoni sono deconfinati, che può essere creato in laboratorio attraverso collisioni ultra relativistiche di ioni pesanti. Gli adroni contenenti almeno un quark pesante (ovvero un quark charm o beauty) sono uno strumento unico per studiare e caratterizzare le proprietà del mezzo deconfinato, dal momento che i quark pesanti sono prodotti nella fase iniziale della collisione e perciò attraversano la completa evoluzione del sistema, interagendo con il QGP. Siccome i quark charm e beauty hanno masse diverse, perdono energia differentemente nel QGP e perciò è essenziale poter distinguere i mesoni D primary (che derivano direttamente dall'adronizzazione di un quark charm o dal decadimento di uno stato eccitato contenente un quark charm) dai mesoni D che derivano dal decadimento di adroni contenenti beauty. Lo studio di collisioni p-A, nelle quali non ci si aspetta la formazione del QGP, può fornire un'importante misura degli effetti di materia nucleare fredda, come la modifica delle PDF in presenza di materia nucleare, che non possono essere separati dagli effetti dovuti al QGP in collisioni A-A. Nella mia tesi i candidati mesoni D+ sono ricostruiti nel canale di decadimento adronico D+→K-π+π+, usando un metodo basato sulla ricostruzione di topologie in cui il vertice di decadimento si trova spostato rispetto al vertice di interazione, che passano selezioni geometriche e di identificazione di particelle. Il segnale è estratto mediante un'analisi di massa invariante dei candidati. Il primo studio nella mia tesi riguarda lo sviluppo di un metodo per valutare la frazione di mesoni D+ primari basato sul fit delle distribuzioni del parametro di impatto dei candidati, definito come la minima distanza tra la linea di volo ricostruita del mesone D e il vertice primario. La sezione d'urto differenziale calcolata è stata quindi confrontata con il risultato ottenuto utilizzando l'approccio standard, nel quale la frazione di mesoni D+ primari è valutata sfruttando calcoli di QCD perturbativa. Il secondo metodo di analisi da me sviluppato si basa sull'utilizzo di diversi criteri di selezione di quantità geometriche legate al decadimento dei mesoni D, che permettono di discriminare il contributo primario da quello secondario. Infine mi sono focalizzato sull'analisi dei dati usando un diverso metodo di ricostruzione dei vertici secondari rispetto a quello utilizzato fin ora dalla Collaborazione e che si basa sul filtro di Kalman. Sebbene i primi due metodi siano al momento limitati dalla statistica, mostrano un buon accordo con il risultato standard e aprono la possibilità di svolgere la misura della produzione di mesoni D senza l'utilizzo della teoria. D'altro canto, il metodo basato sul filtro di Kalman permette di ridurre il contributo dei mesoni D derivanti dal decadimento di adroni contenenti beauty, grazie alla possibilità di fissare dei vincoli sulla geometria del decadimento. Infine i risultati ottenuti con tutti i metodi sviluppati sono stati confrontati tra loro, mostrando buon accordo all'interno degli errori sperimentali.