Thesis:

Experimental Studies of Parton Propagation in Strongly Interacting Matter

One important area of forefront research in strong interaction physics involves understanding how thefundamental particles of Quantum ChromoDynamics (QCD), the quarks and gluons, interact in spatiallyextended systems. Well-known research topics in this area include the study of gluon saturationat high parton densities, and jet quenching in ultra-relativistic collisions of large atomic nuclei. Whileperturbative treatments of QCD (pQCD) in proton-proton collisions produce excellent descriptions ofthe experimental data, the QCD-based description of processes in-medium is at a much more primitivestage, and there are many outstanding questions. One example is in the area of quark energyloss in-medium. Quark energy loss has long been conceived as occurring from two processes: partonicelastic scattering, and radiation of gluons, in analogy with the well-known processes in QuantumElectrodynamics (QED). Elastic scattering is expected to play a minor role for light quarks, while it isexpected to play a larger role for heavy quarks; gluon radiation is expected to be the dominant effectfor light quarks, and to play a smaller role for heavy quarks. These intuitive expectations have beenvalidated by explicit pQCD calculations in numerous studies. However, a comparison of light quarkobservables to heavy quark observables does not currently appear to conform to these expectations atall. As an example, b-quark jets appear to demonstrate the same suppression in heavy ion collisionsas light-quark jets in studies at the Large Hadron Collider (LHC). We propose to study heavy quarksuppression using data from the ATLAS detector at the LHC. The experimental technique of choice isto measure J= mesons in heavy ion collisions, comparing their production characteristics with thoseseen in proton-proton collisions, where no medium is present. To isolate the b-quark component, wefocus on J= mesons with a measured detached vertex relative to the primary collision vertex. Theb quarks predominantly decay into J= mesons long after they are produced, and thus these mesonsserve as a proxy for the primordial heavy quarks passing through the medium. Since any suppressionseen in heavy ion collisions is the result of attenuation of b-quarks in the hot, dense medium formedin those collisions, it is also of interest to compare these results to the same process as observed in coldmatter, such as the system produced in p+Pb collisions at the LHC. Further comparisons to cold mattercan be performed in electron-nucleus interactions, where the interaction of virtual photons provides aprobe that is free of initial-state interactions. Studies of this kind can be carried out with light-quarksignals using data from the EMC, HERMES, and CLAS experiments. Inter-comparison of the resultsfound from these different types of systems will provide new insights into the emerging field of partonicinteractions within systems of strongly interacting particles.

Un área importante de investigación de vanguardia en la física de interacciones fuertes implica comprender cómo las partículas fundamentales de la cromodinámica cuántica (QCD), los quarks y los gluones, interactúan en sistemas espacialmente extendidos. Entre los temas de investigación más conocidos en esta área se incluyen el estudio de la saturación de gluones a altas densidades de partones y la extinción de jets en colisiones ultrarrelativistas de grandes núcleos atómicos. Si bien los tratamientos perturbativos de la QCD (pQCD) en colisiones protón-protón producen excelentes descripciones de los datos experimentales, la descripción basada en la QCD de los procesos en el medio se encuentra en una etapa mucho más primitiva, y existen numerosas preguntas pendientes. Un ejemplo es la pérdida de energía de los quarks en el medio. Desde hace tiempo, se ha concebido que la pérdida de energía de los quarks se produce a partir de dos procesos: la dispersión partonicelástica y la radiación de gluones, en analogía con los procesos bien conocidos en la electrodinámica cuántica (QED). Se espera que la dispersión elástica tenga un papel menor en los quarks ligeros, mientras que se espera que tenga un papel más importante en los quarks pesados; se espera que la radiación de gluones sea el efecto dominante en los quarks ligeros y que tenga un papel menor en los quarks pesados. Estas expectativas intuitivas han sido validadas mediante cálculos explícitos de pQCD en numerosos estudios. Sin embargo, la comparación de observables de quarks ligeros con observables de quarks pesados ​​actualmente no parece ajustarse completamente a estas expectativas. Por ejemplo, los chorros de quarks b parecen mostrar la misma supresión en colisiones de iones pesados ​​que los chorros de quarks ligeros en estudios realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Proponemos estudiar la supresión de quarks pesados ​​utilizando datos del detector ATLAS del LHC. La técnica experimental elegida consiste en medir mesones J= en colisiones de iones pesados, comparando sus características de producción con las observadas en colisiones protón-protón, donde no hay medio presente. Para aislar el componente de quarks b, nos centramos en los mesones J= con un vértice separado medido respecto al vértice de colisión primario. Los quarks b se desintegran predominantemente en mesones J= mucho después de su producción, y por lo tanto, estos mesones sirven como un indicador de los quarks pesados ​​primordiales que atraviesan el medio. Dado que cualquier supresión observada en las colisiones de iones pesados ​​se debe a la atenuación de los quarks b en el medio caliente y denso formado en dichas colisiones, también resulta interesante comparar estos resultados con el mismo proceso observado en la materia fría, como el sistema producido en las colisiones p+Pb en el LHC. Se pueden realizar comparaciones adicionales con la materia fría en las interacciones electrón-núcleo, donde la interacción de fotones virtuales proporciona una sonda libre de interacciones de estado inicial. Estudios de este tipo pueden realizarse con señales de quarks de luz utilizando datos de los experimentos EMC, HERMES y CLAS. La comparación de los resultados obtenidos a partir de estos diferentes tipos de sistemas proporcionará nuevos conocimientos sobre el campo emergente de las interacciones partónicas dentro de sistemas de partículas que interactúan fuertemente.