Charm and Bottom Hadron Production via Semi-leptonic Decay Channel in Relativistic Heavy Ion Collisions

국문 초록 (Abstract)

중이온 충돌 실험에서 무거운 맛깔(heavy flavor)은 강하게 상호작용하는 쿼크-글루온 플라즈마(Quark-gloon plazma)의 성질을 연구하는데 있어서 중요한 탐침으로 활용되어 질 수 있다. 그리고 상대론적 중이온 충돌기(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) 실험에서 높은 횡운동량의 바닥 쿼크(bottom)와 매력 쿼크(charm)가 붕괴해서 생성되는 단일전자(non-photonic electron, NPE)는 양성자-양성자 충돌에서보다 금핵-금핵 충돌에서 더 적게 관측된다. 이와 같은 현상은 무거운 쿼크들이 쿼크-글루온 플라즈마에서 상호작용에 기인하고, 이론에서 예측하기로는 퀴크의 무게에 의존하여, 높은 무게를 가진 쿼크일수록 더 적은 에너지를 잃을 것이라고 예측하고 있다. 기존에는 매력 쿼크 하드론들은 쿼크 글루온 플라즈마에서 기묘 쿼크(strangeness) 혹은 그보다 더 가벼운 하드론들보다 더 적게 에너지를 잃을 것이라 예상하였지만, 최근에 발표된 결과에서는 기대에서 벗어난 결과가 있었다. 그래서 매력 쿼크보다 무거운 바닥 쿼크의 결과가 기대되고 있다. 낮은 횡운동량의 분석의 경우 2010년 설치된 비행시간(Timing of flight, TOF) 검출기를 활용하여, 보다 정확한 입자구별(Particle identification, PID)가 가능해졌고, 바닥 쿼트에서 붕괴한 단일전자 분석의 경우에는 2014년에 설치된 무거운 맛깔 트랙커(heavy flavor tracker, HFT) 검출기를 활용하여, 높은 정확도의 입자의 공간 분해능($p$ = 1.5 \GeVc{}일때, $\sigma_{\rm{DCA}} \sim$ 30 $\mu m$)을 이용해서 분석이 가능해졌다. 본 논문에서는 금핵-금핵 질량중심에너지 200 GeV(\sNN{} 200 GeV) 충돌 실험에서의 낮은 횡운동량에서의 단일전자의 측정에 관한 내용과 높은 횡운동량에서의 바닥 쿼크에서 붕괴된 단일전자의 생성에 관한 내용을 논할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction
• 1.1 Early universe and Quark-Gluon Plasma (QGP)
• 1.2 Heavy flavor production in heavy ion collisions
• 1.2.1 Dead-cone effect
• 1.3 Recent results of heavy flavor production
• 1.3.1 Charm hadron production in RHIC
• 1.3.2 Bottom hadron production in RHIC
• 2. Experimental setup
• 2.1 Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)
• 2.2 The Solenoid Tracker At RHIC (STAR) experiment
• 2.2.1 Time Projection Chamber (TPC)
• 2.2.2 Timing Of Flight (TOF)
• 2.2.3 Barrel ElectroMagnetic Calorimeter (BEMC) and Barrel Shower MaximumDetector(BSMD)
• 2.2.4 Heavy Flavor Tracker (HFT)
• 2.2.5 Trigger system
• 2.3 Kinematic variables and coordinate system
• 3. Analysis of non-photonic electrons in low-pT
• 3.1 Analysis scheme of non-photonic electrons
• 3.2 Dataset and event cuts
• 3.3 Inclusive electrons
• 3.3.1 Electron identification
• 3.3.2 Effciency and acceptance correction
• 3.4 Photonic electrons
• 3.4.1 Electron pair reconstruction
• 3.4.2 Photonic electron reconstruction effciency
• 3.5 pT spectra and systematic uncertainties
• 4. Analysis of non-photonic electrons with b/c separation
• 4.1 Analysis scheme of b/c separation in NPE analysis
• 4.2 Dataset
• 4.3 Inclusive electrons
• 4.4 Signal templates
• 4.5 Background templates
• 4.5.1 Clustering effect
• 4.5.2 Conversion radius distribution
• 4.5.3 Mis-matched electron from gamma conversion
• 4.5.4 DCAXY distribution of the photonic electrons
• 4.6 Template fitting
• 4.6.1 Other electron sources
• 4.6.2 Fitting parameters
• 4.6.3 Fit method: RooFit
• 4.6.4 Asymmetry in DCAXY distributions
• 4.7 B to electron fraction and systematic uncertainties
• 5. Discussions
• 5.1 Non-photonic electrons with low transverse momenta
• 5.2 b and c separation in non-photonic electrons analysis
• 5.3 Summary and conclusion