Study of prospects for reconstruction of Λ hyperons with the NA60+ experiment at CERN SPS ​

NA60+ is a new experiment, proposed at the CERN SPS, aiming at investigating the region of the QCD phase diagram at non-zero net baryon densities. The proposed physics program of NA60+ is so far focused on hard and electromagnetic probes: measuring the production of dimuons, charmonium states and open-charms. It is under study to enrich the physics plans with measurements of hadrons with strange- quark content. Measurements of the abundance of strange hadrons relative to hadrons composed of only up and down quarks can shed light on many properties of the system, such as the thermodynamic parameters, which are fundamental to understand the transition and the degree of equilibration. Measurements of azimuthal distributions of the produced hadrons are sensitive to the system evolution and the hadronization mechanism. In this perspective, light-flavour particles with strange-quark content (i.e. Λ, Ks0 ) provide crucial information on the properties of the QGP. The aim of my thesis is to carry out performance studies for the reconstruction of Λ baryons with NA60+ detector for different colliding energies (20-158AGeV), with the main goal of verifying if the measurements of hyperons are viable in Pb-Pb collisions. The experimental setup of NA60+ is being designed: its main detectors will be a vertex telescope based on MAPS and a muon spectrometer. The vertex spectrometer is planned to be composed of a number of silicon tracking layers, equipped with a new generation of MAPS, with a thickness of 50µm and a space point resolution of 5µm. Λ and Λ̄ baryons are reconstructed from their weak decays: Λ→pπ− and charge conjugate. The measurements of Λ baryons are based on the reconstruction of their decay tracks in the vertex telescope, exploiting the displaced decay vertex topology originating from the large mean proper decay length of Λ hyperons, cτ = 7.89cm. A fast Monte Carlo code was used to propagate the generated particles, to simulate a parametrized response of the vertex telescope detectors and to reconstruct the tracks via a Kalman filter algorithm. I carried out performance studies of resolutions and efficiency for different setups: varying the number of silicon layers, their thickness and the characteristic spatial resolution. The first part of my the study is focused on determining the setup providing the best performances in terms of acceptance,efficiency and resolution on the track momentum and position of the Λ decay vertex. The second part is dedicated to the exploration of selection criteria to discriminate the Λ signal from the combinatorial background. The simulated background is built from pair of tracks produced in central Pb-Pb collisions by primary p, K and π and displaced π and p from Λ and Ks0 decays. I performed a study of the distributions of the variables characterising the displaced decay vertex topology for the signal and background. It allows to establish which variables can efficiently separate Λ decays from background candidates. I implemented an optimisation of the selection criteria to enhance the statistical significance applying linear selections on the variables. This thesis shows that Λ baryons measurements at NA60+ are feasible with an high statistical precision and significance, opening the possibility to perform differential measurements of their production and azimuthal anisotropy as a function of rapidity and transverse momentum, and to extend the studies to multi-strange hadrons

NA60+ è un nuovo esperimento, proposto al CERN SPS, che mira a investigare la regione del diagramma di fase di QCD a densità barioniche nette non nulle. Il programma di fisica di NA60+ prevede di studiare hard e electromagnetic probes: misurando la produzione di dimuoni, stati di charmonium e open-charms. Si vuole arricchire le misure, studiando adroni con contenuto di quark strani. Le misure di abbondanza di adroni strani rispetto ad adroni composti solo da quark up e down possono far luce su molte proprietà del sistema, come i parametri termodinamici, che sono fondamentali per comprendere la transizione. Le misure delle distribuzioni azimutali degli adroni prodotti sono sensibili all’evoluzione del sistema. In questa prospettiva, le particelle di sapore leggero con quark strani (Λ, Ks0) forniscono informazioni cruciali sulle proprietà del QGP. Lo scopo della mia tesi è quello di realizzare studi di performance per la ricostruzione dei barioni Λ con il rivelatore NA60+ per diverse energie di collisione (20-158AGeV), con l'obiettivo di verificare se le misure degli iperoni sono fattibili in collisioni Pb-Pb. Il setup sperimentale di NA60+ è in fase di progettazione: i suoi rivelatori principali saranno un telescopio di vertice basato su sensori monolitici a pixel attivi (MAPS) e uno spettrometro a muoni. Lo spettrometro di vertice sarà composto da un numero N di tracking layer in silicio, implementato con una nuova generazione di MAPS, con uno spessore di 50µm e una risoluzione spaziale di 5µm. I barioni Λ e Λ̄ sono ricostruiti dai loro decadimenti deboli: Λ→pπ- e coniugato di carica. Le misure dei barioni Λ sono basate sulla ricostruzione dei prodotti di decadimento nel telescopio del vertice, sfruttando la topologia displaced del vertice di decadimento, originata dalla grande lunghezza di decadimento degli iperoni Λ, cτ = 7,89 cm. Una fast Monte Carlo simulation è usata per propagare le particelle generate, per simulare una risposta parametrizzata dei rivelatori del telescopio di vertice e per ricostruire le tracce tramite un algoritmo di Kalman filter. Ho effettuato studi di performance per diverse configurazioni sperimentali: variando il numero di strati di silicio, il loro spessore e la risoluzione spaziale. La prima parte del mio studio è focalizzata sulla determinazione del setup che fornisce le migliori prestazioni in termini di accettanza, efficienza e risoluzione sul momento delle tracce e sulla posizione del vertice di decadimento. La seconda parte è dedicata allo studio dei criteri di selezione per discriminare il segnale dei barioni Λ dal fondo combinatoriale. Il fondo simulato è costruito da coppie di tracce prodotte in collisioni centrali Pb-Pb da p, K e π primari e da π e p displaced dai decadimenti di Λ e Ks0. Ho eseguito uno studio delle distribuzioni delle variabili che caratterizzano la topologia dei vertici di decadimento per il segnale e il fondo, stabilendo quali variabili possono separare in modo efficiente i decadimenti di Λ dai candidati di fondo. Ho implementato un'ottimizzazione dei criteri di selezione per aumentare la significatività statistica.Questa tesi dimostra che le misure dei barioni Λ a NA60+ sono realizzabili con un'alta precisione e significatività statistica, fornendo la possibilità di eseguire misure differenziali della loro produzione e anisotropia azimutale in funzione di rapidità e momento trasverso, e di estendere gli studi ad adroni multi-strange. ​