Untersuchung von Dielektronen aus Charm und Beauty Zerfällen

Wenige millionstel Sekunden nach dem Urknall existierte Materie in einem Zustand, welcher sich vom heutigen stark unterscheidet, in einem sogenannten Quark- Gluon-Plasma (QGP). In Kollisionen von Schwerionen können Wissenschaftler diesen besonderen Materiezustand im Labor erzeugen und untersuchen. Durch die Untersuchung von Elektron-Positron-Paaren mit dem ALICE Experiment am CERN können wir verschiedene Eigenschaften des QGPs bestimmen, wie zum Beispiel seine Temperatur. Ein wesentlicher Untergrund dieser Messungen, welcher bis jetzt noch nicht gut genug verstanden ist, stellen die Zerfälle von Teilchen, die ein schweres Quark (Charm und Beauty) enthalten, dar. In diesem Projekt werde ich versuchen diesen Untergrund zunächst quantitativ besser zu verstehen und in Folge zu eliminieren. Insbesondere werde ich die Tatsache ausnutzen, dass Teilchen, die schwere Quarks enthalten, ein anderes Zerfallsmuster aufweisen, nämlich dass ihr Zerfall im Vergleich zu anderen Teilchen verzögert stattfindet. Die Analysestrategie ist komplementär zu anderen traditionelleren Zugängen. Ich werde Methoden benutzen, die auf maschinellem Lernen, einer der modernsten Techniken zur Datenanalyse, beruhen. Hierbei werden neue Algorithmen entwickelt, getestet und angewandt um das Signal vom Untergrund zu separieren.

Das Ziel dieses Projekts war es die Produktion von Elektron-Positron Paaren (auch Dielektronen genannt) am ALICE Experiment am LHC zu untersuchen, um das Quark-Gluon-Plasma (QGP) besser zu verstehen. Das QGP ist der Zustand in welchem die Materie wenige Mikrosekunden nach dem Urknall vorlag. Dabei sind die Quarks und Gluonen frei und nicht mehr in Teilchen eingeschlossen. Dielektronen stehen im Zusammenhang mit wichtigen offenen Fragen der Teilchenphysik, wie z.B. der Messung der Temperatur des QGP. Der größte Beitrag zum Untergrund zu dieser Messung kommt von Dielektronen aus dem Zerfall von schweren Quarks (Charm und Beauty). Es ist wichtig diese Beiträge zu verstehen und sie von Dielektronen aus anderen Quellen zu trennen, wie z.B. Dielektronen aus der thermischen Strahlung. Um diese Beiträge der thermischen Strahlung zu verstehen, müssen zunächst alle anderen Beiträge besser verstanden werden. Deshalb habe ich die Produktion von Dielektronen in kleinen Systemen, d.h. pp und p--Pb Kollisionen, untersucht, in denen nicht erwartet wird dass sich ein QGP bildet. In diesem Projekt wurden zum ersten Mal Dielektronen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV in beiden Kollisionssystemen gemessen. Die Wirkungsquerschnitte für Charm und Beauty Produktion wurde aus dem Dielektron Spektrum extrahiert. Dabei wurden Monte Carlo Simulationen benutzt um die Verteilung der Elektronen aus Zerfällen von Hadronen mit Charm- und Beauty-Quarks zu simulieren. Die erzielten Resultate sind ein wichtiger Ausgangspunkt für zukünftige Analysen, vor allem für die Analyse von Dielektronen in Pb--Pb Kollisionen, welche aufgrund des größeren Untergrunds deutlich herausfordernder ist. Die Strategie der Analyse basierte auf der Tatsache dass Teilchen welche ein Charm- oder Beauty-Quarks enthalten ein spezifisches Zerfallsmuster zeigen, welches verzögert ist gegenüber jenem anderer Teilchen, welche Elektron-Positron Paare produzieren. Ich nutzte maschinelles Lernen, die modernste Technik der Datenanalyse, um Signal und Untergrund zu trennen. Ich führte außerdem die Messung des Wirkungsquerschnitts für die Produktion des $\Lambda_{c}^{+}$ Baryons in pp und p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV durch. Diese Messung liefert einen sehr wichtigen Beitrag zur Messung des totalen Wirkungsquerschnitts für Charm-Produktion bei Energien, wie sie am LHC erreicht werden. Es wurde beobachtet dass der Wirkungsquerschnitt der $\Lambda_{c}^{+}$ Produktion signifikant größer ist als in früheren Messungen, welche in anderen Kollisionssystemen und bei anderen Energien durchgeführt wurden, was darauf hinweist dass die Fragmentierung der Charm-Quarks in Baryonen anders ist.