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First measurement of LambdaC-baryon production in heavy-ion collisions at the LHC

The first measurement of LambdaC-baryon production in Pb-Pb collisions at the LHC was presented recently by the ALICE Collaboration. The LambdaC/D0 ratio, which is sensitive to the charm quark hadronisation mechanisms in the medium, is found to be larger than the ratio measured in pp and p-Pb collisions.
Rapporto LambdaC/D0 in funzione dell’impulso trasverso pT in collisioni Pb-Pb, classe di centralità 0-80%, confrontato con lo stesso rapporto misur

https://arxiv.org/abs/1809.10922

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DIFA Authors/Autori DIFA: Gruppo ALICE di Bologna

The first measurement of LC-baryon production in Pb-Pb collisions at the CERN Large Hadron Colliders (LHC) was presented recently at the International Conference on Hard and Electromagnetic Probes of High-Energy Nuclear Collisions by the ALICE Collaboration. The corresponding publication was submitted to Physics Letters B.

The LC baryon consist of a charm quark and two light quarks. The measurement of its production is essential to understand how charm hadronisation is affected by the presence of the quark-gluon plasma (QGP) created in high energy heavy-ion collisions. Charm quarks are produced early in the collision and interact with the plasma constituents as they propagate through it, thus providing direct information about the properties of the hot and dense medium created in such collisions. It has been suggested that the presence of many quarks in the final state of a heavy-ion collision can affect the hadronisation process: charm quarks could form hadrons by recombining with light quarks that happen to be nearby. In collisions of protons, the main hadronisation mechanism is through the formation of light quarks in a parton shower, so-called ‘fragmentation’.

The LC was measured via full reconstruction of the hadronic decay LC→ pK0S and charge conjugate, in the transverse momentum and centrality intervals 6 < pT < 12 GeV/c and 0-80%. The LC baryons decay shortly after they are produced (ct ≈ 60 mm); the resolution of the actual ALICE vertex detector doesn’t allow the separation of the decay vertices from primary collisions. In order to reduce the large combinatorial background, ALICE made use of the Particle Identification (PID) capability of the Time-of-Flight detector built by the ALICE-TOF Bologna Group.

The ratio of the production yields of LC baryons and D0 mesons, that contain a charm quark and a single light anti-quark, shown in the figure, is larger than that measured in minimum-bias pp collisions at √s = 7 TeV and in p-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV.

The measured ratio in Pb-Pb collisions is also compatible with the LC/D0 ratio measured in Au-Au collisions by the STAR Collaboration at RHIC. The measurement is compared with model calculations (S. Plumari et al., EPJ 4 (2018) 348) including different implementations of charm quark hadronisation. The model calculation with a pure coalescence scenario describes the experimental result, while adding a fragmentation contribution leads to a ratio that is smaller than that observed in the measurement.

It is worth to note that even the LC/D0 ratio measured in pp and p-Pb collisions at LHC is significantly larger than theoretical expectations or the world average fragmentation ratio from elementary collisions (JHEP 04 (2018) 108). The baryon-to-meson ratio has now been studied with light-flavour, strange and charm hadrons. All baryon-to-meson ratios in pp and p-Pb collisions show a characteristic pT dependence with an enhancement at intermediate transverse momentum values up to around 4 GeV/c, which still needs further investigation.

Prima misura di produzione del barione LC in collisioni di ioni pesanti ad LHC

L’esperimento ALICE ha recentemente presentato la prima misura del barione LC in collisioni di ioni pesanti a LHC. Il rapporto LC/D0, che dipende dai meccanismi di adronizzazione del quark charm all’interno del plasma creato in tali collisioni, è più alto di quello misurato in collisioni pp e p-Pb.

L’esperimento ALICE ha recentemente presentato alIa International Conference on Hard and Electromagnetic Probes of High-Energy Nuclear Collisions la prima osservazione del barione LC in collisioni di ioni pesanti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. La misura è stata sottomessa alla rivista internazionale Physics Letters B.

Il barione LC è costituito da un quark c e da due quark leggeri, u e d. La misura della sua produzione è fondamentale per capire come il processo di adronizzazione dei quark pesanti (charm e bottom) sia influenzato dalla presenza del Quark-Gluon Plasma (QGP) creato in collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici. Dato il valore elevato della loro massa, i quark c sono creati nelle primissime fasi della collisione, si propagano attraverso il QGP e interagiscono con i suoi costituenti, perdendo energia per collisioni elastiche oppure attraverso processi radiativi; il loro studio è fondamentale in quanto è in grado di fornire informazioni dirette sulle proprietà di questo nuovo stato della materia. Inoltre, il quark c può formare adroni sia tramite un processo di frammentazione, che si suppone essere dominante ad alti impulsi trasversi e in condizioni di vuoto QCD, sia legandosi con quark leggeri presenti in grande quantità all’interno del QGP.

Il barione LC è stato misurato in ALICE attraverso il suo decadimento in un protone e un mesone K0S, nella classe di centralità 0-80% e per impulsi trasversi compresi tra 6 e 12 GeV/c, in collisioni di ioni di piombo per energie nel centro di massa di 5.02 TeV per coppia di nucleone. La precisione dell’attuale rivelatore di microvertice non permette la risoluzione del vertice secondario di decadimento della LC (ct ≈ 60 mm); la riduzione del vasto fondo combinatorio è stata effettuata utilizzando, tra le altre, le informazioni del rivelatore di Tempo-di-Volo (TOF) realizzato dal gruppo ALICE-TOF di Bologna. L’analisi ha visto il coinvolgimento di personale del Dipartimento di Fisica e Astronomia e della sezione INFN di Bologna.

Il rapporto tra la produzione di LC e di mesoni D0, contenenti un quark c e un solo anti-quark leggero, riportato in figura, è risultato più alto in collisioni tra ioni di piombo di quanto misurato in collisioni protone-protone e protone-piombo, ed è compatibile con simili misure effettuate dall’esperimento STAR in collisioni Au-Au ad energie più basse. La misura è confrontata con un modello teorico (S. Plumari et al., EPJ 4 (2018) 348); come si può vedere il modello riproduce i risultati ipotizzando solo ricombinazione (coalescence) tra quark, mentre l’aggiunta di un contributo dovuto a frammentazione sposta la curva teorica verso valori del rapporto più piccoli.

E’ interessante ricordare che il valore del rapporto LC/D0 misurato in collisioni pp e p-Pb a LHC sia significativamente sottostimato da previsioni teoriche che considerino solo processi di frammentazione modellati sui risultati sperimentali ottenuti a più basse energie (JHEP 04 (2018) 108). Il confronto con gli stessi rapporti ottenuti considerando barioni e mesoni composti da quark u, d e s ha evidenziato una tendenza simile in funzione dell’impulso trasverso, con un aumento a pT intermedi fino a 4 GeV/c che non è stato ancora completamente spiegato.