Simulated pi0–pi0 correlation and test beam performance of the future forward calorimeter in the ALICE experiment

Abstract

Since the start of Large Hadron Collider (LHC) particle collisions in 2008 all LHC experiments have provided data to understand the interactions between the fundamental particles. Out of the LHC experiments ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the dedicated heavy ion experiment, focusing on the study of Quark-Gluon Plasma (QGP) formed in the collisions between heavy ions. After extensive upgrade efforts to the detector setup to withstand the conditions set by the increased particle beam luminosity for the next physics run (Run 3), the ALICE experiment started collecting data again in 2022. After Run 3 there will be another upgrade that will include replacing the three innermost layers in the inner tracking system with a more precise tracker (ITS3) and adding a new forward calorimeter (FoCal) to the experiment. FoCal extends the physics analyses to the forward rapidities (near beam pipe) and includes the gluon saturation physics to the ALICE physics program. The gluon saturation is expected happen at low gluon momenta but it has not been observed experimentally yet. FoCal is expected to probe the saturation region and provide constraints to the theory calculations related to gluon distributions going near the saturation limit. In this thesis, I present the performance characterization of FoCal silicon pad sensors from two first FoCal test beams carried on during 2021 and 2022. For the main analysis in this thesis I have simulated the physics performance of pi0–pi0 correlations measured in FoCal. In addition, simulation results regarding the event plane performance of Fast Interaction Trigger (FIT), the new forward trigger installed for Run 3 are presented. The event plane is an estimator for the heavy ion collision reaction plane and is provided by FIT Run 3 onwards.

Large Hadron Collider (LHC) on tuottanut dataa hadronien ja raskaiden ionien törmäyksistä vuodesta 2008 lähtien. Suurien LHC-kokeiden analyysit törmäyksistä ovat auttaneet ymmärtämään paremmin hadronien välisiä vuorovaikutuksia. Kokeista ALICE (A Large Ion Collider Experiment) on rakentanut fysiikkaohjelmansa erityisesti raskasionitörmäysten tutkimukselle. Raskasionitörmäyksissä muodostuu kuumaa kvarkki-gluoni plasmaa (QGP), joka täytti maailmankaikkeuden sen ensimmäisten mikrosekuntien aikana. ALICE-kokeen laitteisto kävi läpi suuren päivityksen, koska LHC kasvatti tuottamiensa hiukkassuihkujen luminositeettia seuraavalle ajoperiodilleen (ajo 3), joka alkoi 2022. Päivitys oli tarpeen, jotta laitteistoon kuuluvat ilmaisimet pystyisivät vastaanottamaan suuremman määrän törmäyksiä ja siten myös dataa. Kolmannen fysiikka-ajon jälkeen ALICE:een on tulossa seuraava päivitys kahden uuden hiukkasilmaisimen muodossa. Nykyisen ITS:n (Inner Tracking System) kolme sisintä kerrosta korvataan uutta teknologiaa hyödyntävällä ITS3:lla ja kokeeseen asennetaan etusuunnan kalorimetri FoCal. FoCal mahdollistaa fysiikka-analyysien laajentamisen etusuuntaan ja tuo ALICE:n fysiikka-ohjelmaan mukaan gluonien saturaatiofysiikan. Gluonien saturaationa tunnettua ilmiötä ei olla vielä vahvistettu kokeellisesti. FoCal ylettyy mittauksissaan niille kinemaattisille alueille, jossa saturaation odotetaan olevan havaittavissa. Nämä mittaukset tarjoavat myös rajoituksia gluonien jakaumia ennustaville teorialaskuille. Tähän väitöskirjaan olen koonnut testimittaus- ja simulaatioanalyysejä liittyen FoCal:in suorituskyvyn tutkimiseen. Vuonna 2021 ja 2022 järjestetyissä mittauksissa testasimme FoCal:in sensorien toimintaa ja tässä esitelty tekemäni data-analyysi liittyy FoCal:in elektromagneettisen kalorimetrin silikonisensorien karakterisointiin. Fysikaalisiin tavoitteisiin liittyen FoCal:in kykyä mitatta neutraalien pionien korrelaatioita. Suuri osa tästä analyysista liittyy korrelaatioihin liittyvän taustan tutkimiseen ja taustanpoistomenetelmien kehittämiseen. Lisäksi työpanokseni liittyen ALICE:n uuden FIT-ilmaisimen (Fast Interaction Trigger) kykyyn mitata arvio raskasionitörmäysten törmäystasolle on sisällytetty tähän kirjaan.