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) 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.