Charm production at the LHC via $\rm D^0 \rightarrow K\pi$ reconstruction in ALICE: cross section in pp collisions and first flow measurement in Pb--Pb collisions

ALICE (A Large Hadron Collider Experiment) is one of the CERN-LHC (Large Hadron Collider) experiments. The main goal of ALICE is investigating the properties of the state of matter formed in ultra-relativistic heavy-ion collisions, the strongly-interacting quark-gluon plasma (QGP). The extremely high-energy-density and high-temperature matter produced in Pb--Pb collisions at centre-of-mass-energy of 2.76 TeV at the LHC is similar to the state of the matter that constituted the Universe few microseconds after the Big Bang. Nucleus-nucleus collisions have been carried out for the last 20 years by the Super Proton Synchrotron at CERN and by the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven to study this state of matter in a laboratory. The experimental results confirm the production of a deconfined system that reaches a thermal equilibrium and behaves like an almost perfect fluid, following the equations of hydrodynamics, until it cools down and hadrons are produced again. The properties of such a medium can be studied via probes coming from the interaction itself, namely the final-state detected particles. Heavy quarks are particularly effective in probing the medium. The charm quark is the subject of this thesis, which presents the measurement of the production of $\rm D^0$ mesons, containing a charm quark, at the LHC. The $\rm D^0$ meson production cross section measurement in pp collisions and the first measurement of the $\rm D^0$ elliptic flow in Pb--Pb collisions will be described. The first result serves as a test for pQCD calculations at unprecedented high centre-of-mass energy, 7 TeV for pp and 2.76 TeV for Pb--Pb collisions, and as a reference for measurements made in a heavy-ion environment, like the measurement of the $\rm D^0$ yield suppression due to energy loss in the medium. The second result is a starting point to investigate the degree of thermalization of the quark-gluon plasma. The topics treated in each chapter of this thesis are outlined in the following. In Chapter 1 a general introduction about the physics goals in heavy-ion and proton-proton collisions will be drawn. In the context of the Standard Model, the strong interaction will be introduced. Then, the evolution of a nucleus-nucleus collision will be described and the observables useful for probing the properties of the quark-gluon plasma will be presented. A large part of the chapter will be finally devoted to the physics of heavy quarks in pp and heavy-ion collisions. Chapter 2 will present the ALICE detector, describing mainly the sub-detectors used for heavy-flavour analyses. The tools developed for simulation, reconstruction and analyses will be summarised as well. The performance achieved by the detectors involved in heavy-flavour analyses, both in pp and Pb--Pb collisions, during the first year of data taking will be presented. The analysis tools implemented during this thesis will be described in Chapter 3. Chapter 4 will be devoted to the description of the measurement of the $\rm D^0$ meson cross section in pp collisions, in the decay channel $\rm D^0 \rightarrow K\pi$. In particular, I participated in the study of the variables used for the selection of the signal and in the yield extraction through an invariant mass analysis. The displaced decay vertices ($c\tau ($\rm D^0$) = 122.9~ \mu $m) are reconstructed, then pairs of unlike-sign tracks are combined and their species identified. Finally the topological selections are applied and a fit to the invariant mass spectrum is performed to determine the $\rm D^0$ yield. To compute the final cross section, the extracted yield must be corrected and properly normalized. The measured $\rm D^0$ production cross section extends to the region of transverse momentum from 1 to 16~GeV$/c$ and was compared to pQCD calculations, which are found to be in agreement with data. Chapter 5 will present the first measurement of the $\rm D^0$ meson elliptic flow in the transverse momentum region from 2 to 12 GeV$/c$. A sample of 3 million events from 2010 data, in the centrality class 30-50\% was used and several equivalent methods were applied, giving compatible results. I was responsible for the tuning of the selection of the $\rm D^0$ candidates, for the signal extraction and for the determination of the elliptic flow with the event plane method, which consists in extracting the signal in two intervals of angle between the $\rm D^0$ and the event plane azimuths. The preliminary result was approved by the ALICE Collaboration and I presented it for the first time in an International conference. Finally, Chapter 6 will contain a summary of the motivation for the work carried out during this thesis and the conclusions that can be drawn from the results.

ALICE (A Large Hadron Collider Experiment) è uno degli esperimenti di LHC (Large Hadron Collider) al CERN. Lo scopo principale di ALICE è lo studio delle proprietà dello stato di materia formato in collisioni ultra-relativistiche di ioni pesanti, il plasma di quark e gluoni (QGP), dominato dalle interazioni forti tra i suoi componenti elementari. Lo stato di materia formato in collisioni Pb--Pb prodotte a LHC, con un'energia nel centro di massa di 2.76 TeV, è caratterizzato da una densità di energia e una temperatura estreme, condizioni simili a quelle della materia di cui era formato l'Universo qualche microsecondo dopo il Big Bang. La storia dei collider adronici è iniziata circa 20 anni fa con il Super Proton Synchrotron al CERN e, successivamente, il Relativistic Heavy Ion Collider a Brookhaven. Grazie a questi acceleratori si possono effettuare collisioni tra nuclei e studiare l'origine dell'Universo riproducendo la materia primordiale in laboratorio. I risultati sperimentali confermano la produzione di una sistema deconfinato, in cui quark e gluoni sono liberi di muoversi. Questo stato di materia può essere descritto tramite le leggi della fluidodinamica, che regolano un fluido in equilibrio termico. Successivamente, espandendosi, la materia si raffredda e la formazione degli adroni è di nuovo possibile. Le proprietà di tale mezzo possono essere studiate utilizzando sonde che provengono direttamente al suo interno, attraverso le particelle finali rilevate dall'esperimento. Gli heavy quarks, quali il charm, sono particolarmente efficaci come sonde, in quanto vengono prodotti nelle interazioni iniziali tra partoni. Questa tesi è dedicata in particolare allo studio del charm, attraverso l'analisi dei mesoni $\rm D^0$, che contengono appunto un quark charm. Si descriverà la misura della sezione d'urto di produzione del mesone $\Dzero$ a LHC, importante come test delle predizioni di QCD perturbativa (pQCD) ad un'energia nel centro di massa di 7~TeV, raggiunta sperimentalmente per la prima volta a LHC. La produzione di mesoni $\rm D^0$ in collisioni protone-protone è inoltre fondamentale come riferimento per le misure compiute in collisioni tra ioni, ad esempio la soppressione nella produzione di mesoni $\rm D^0$, dovuta alla perdita di energia nel mezzo. Successivamente si descriverà la prima misura di flow ellittico della $\rm D^0$, importante per la comprensione del grado si equilibrio termico raggiunto dal QGP. Gli argomenti trattati in ogni capitolo sono elencati di seguito. Nel Capitolo 1 verrà delineata un'introduzione generale sugli obiettivi di fisica in collisioni pp e Pb--Pb. In particolare si introdurranno il Modello Standard e le interazioni forti. Descrivendo l'evoluzione di una collisione nucleo-nucleo, si elencheranno le osservabili importanti per lo studio delle proprietà del quark-gluon plasma. Inoltre, una parte del capitolo verrà dedicata all'approfondimento del tema degli heavy flavour. Nel Capitolo 2 si descriverà il rivelatore ALICE, attraverso i vari sotto-rivelatori di cui è composto, dando particolare risalto a quelli utilizzati per le analisi sugli heavy flavour e alle loro performance. Verranno riassunti inoltre gli strumenti di simulazione, ricostruzione e analisi utilizzati all'interno dell'esperimento. Il Capitolo 3 tratterà dei temi più tecnici descrivendo alcuni degli strumenti di analisi sviluppati durante il lavoro di tesi. Il Capitolo 4 è dedicato alla descrizione dell'analisi per la misura della sezione d'urto di produzione del mesone $\rm D^0$ nel canale di decadimento $\rm D^0 \rightarrow K\pi$ in collisioni pp. In particolare mi sono occupata direttamente della procedura di estrazione del segnale. Ho messo a punto dei metodi di selezione utilizzando variabili adatte a riconoscere la topologia di decadimento del mesone $\rm D^0$ in modo da aumentare il rapporto segnale su fondo e la procedura di fit per l'estrazione del segnale attraverso un'analisi di massa invariante. L'analisi parte dalla ricostruzione dei vertici secondari (il $c\tau$ del mesone $\rm D^0$ è infatti 122.9 $\mu$m), procedendo con l'accopiamento di tracce di segno opposto che vengono poi sfoltite a seconda della natura delle particelle coinvolte e dell'accordo con le selezioni topologiche. Il segnale estratto viene quindi corretto e normalizzato per ottenere la sezione d'urto finale. La misura della sezione d'urto è stata effettuata nella regione di impulso trasverso tra 1 e 12 GeV$/c$ ed è stata confrontata con delle predizioni di pQCD, che risultano compatibili con i dati. Il Capitolo 5 è dedicato alla misura del flow ellittico del mesone $\rm D^0$, ricavato nella regione di momento trasverso tra 2 e 12 GeV$/c$ con 3 milioni di eventi registrati nel 2010 nella regione di centralit\`a tra 30 e 50\%. Sono stati utilizzati più metodi equivalenti per testare la robustezza della misura e sono stati ottenuti dei risultati compatibili. Mi sono occupata nuovamente della selezione del segnale con un'analisi di massa invariante e della determinazione del flow ellittico con un metodo che estrae il segnale in diversi intervalli dell'angolo azimutale compreso tra l'impulso del mesone $\rm D^0$ e la direzione del piano di reazione. Infine, nel Capitolo 6 verrano fornite delle considerazioni riassuntive sugli scopi delle misure effettuate durante il lavoro di tesi e sulle conclusioni che si possono trarre dalle quantità misurate.