Cargando…

Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP

Bose-Einstein Correlations (BEC) of identical bosons can be used for the femtoscopy of the pro- duction properties of bosons in high energy particle collisions. This quantum mechanical BEC effect is a direct consequence of the symmetrization of the wave function of a boson system and is frequently u...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Wang, Qin
Lenguaje:eng
Publicado: Nijmegen U. 2008
Materias:
Acceso en línea:http://cds.cern.ch/record/1169636
_version_ 1780916129498136576
author Wang, Qin
author_facet Wang, Qin
author_sort Wang, Qin
collection CERN
description Bose-Einstein Correlations (BEC) of identical bosons can be used for the femtoscopy of the pro- duction properties of bosons in high energy particle collisions. This quantum mechanical BEC effect is a direct consequence of the symmetrization of the wave function of a boson system and is frequently used on photons in Astophysics to measure the angular size and other properties of distant stars. In particle collisions, the effect can be observed experimentally as an enhancement of the production of identical bosons with small four-momentum difference Q relative to a production that would occur in a world without Bose-Einstein statistics. In this thesis, BEC are studied between identical pions produced in electron-positron collisions at a center-of-mass energy of 91 GeV in the LEP e+ e− Collider of CERN, near Geneva. The final-state particles of these collisions are detected in the detector of the L3 experiment, which is positioned at one of the four intersections of LEP. According to the present picture of boson production in electron-positron collisions, these two ̄ colliding particles annihilate to first produce a pair of a quark, q, and an antiquark, q, having the ̄ center-of-mass energy of the original electron-positron pair. The q and q try to separate from each other but are held back by the strong color force acting between them. In the simplest case, ̄ this string-like field breaks into a number of further q q pairs which finally combine into particles. These particles are observed in the detector in the form of two jets of particles moving in opposite directions. ̄ However, in the quantum chromodynamic field spanned between a q and a q, field quanta, so-called gluons, g, can be radiated. Contrary to photons in the case of quantum electrodynamics, these gluons themselves carry color charge and therefore act themselves as sources of the color field. In the next to simplest case, therefore, two string-like fields are spanned, one between the radiated gluon and the quark and one between that gluon and the antiquark. This leads to the production of three particle jets flying apart in different directions, but with the gluon jet containing two color string ends lying close to each other, both in momentum and configuration space. The motivation for our investigation is the question whether bosons originating from different but overlapping strings or string pieces show BEC, i.e., whether so-called inter-string BEC exist between ovelapping strings or string pieces. Statistics tells us that in the case of an increasing number of overlapping sources, the correlation strength λ will decrease if these sources are independent. On the other hand, the source radius R is expected to increase when the sources are dependent, since the average distance between two bosons is larger in this case. In particular, one would expect 110 1. If there are no inter-string BEC but the two strings overlap: λ2-string < λ1-string R2-string ≈ R1-string 2. If there are inter-string BEC and overlap between the two strings: λ2-string ≈ λ1-string R2-string R1-string 3. If there are no BEC between two non-overlapping sources: λ2 ≈ λ 1 R2 ≈ R 1 4. If there are BEC between two non-overlapping sources: λ2 ≈ λ 1 R2 > R 1 . In this thesis, we have searched for differences in BEC between event configurations involving two color strings such as gluon jets and those involving single strings such as quark jets. Com- parisons have been made of two-jet and three-jet events, of quark and gluon jets, and of pairs of identical pions originating from the same and from different sides of a gluon jet. The strength parameter λ and the size parameter R of the Bose-Einstein correlation function R2 are determined and compared for various configurations. The comparison of two-jet and three- jet events is performed for various values of jet resolution and in different multiplicity intervals. Quark and gluon jets are compared for various energy ranges and in various windows of particle momentum. No significant difference is observed between two-jet and three-jet events, or between quark and gluon jets. Furthermore, R2 is compared for pions originating from the same side and from different sides of the gluon jet. Studies are performed in the gluon jet of various three-jet topologies (so-called Yq events, Mercedes events and Yg events), and in different particle momentum windows, both for light-quark and heavy-quark events. Again, no obvious difference is found between the same-side and the different-side pairs. Referring back to our original motivation quoted above, at the given level of statistical signifi- cance, our results support our options (2) of the presence of BEC in pairs of pions originating from two different sources when these two sources are overlapping, or (3) of the lack of any overlap at all. Further analysis will be needed to distinguish between these two remaining alternatives.
id cern-1169636
institution Organización Europea para la Investigación Nuclear
language eng
publishDate 2008
publisher Nijmegen U.
record_format invenio
spelling cern-11696362019-09-30T06:29:59Zhttp://cds.cern.ch/record/1169636engWang, QinInter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEPParticle Physics - ExperimentBose-Einstein Correlations (BEC) of identical bosons can be used for the femtoscopy of the pro- duction properties of bosons in high energy particle collisions. This quantum mechanical BEC effect is a direct consequence of the symmetrization of the wave function of a boson system and is frequently used on photons in Astophysics to measure the angular size and other properties of distant stars. In particle collisions, the effect can be observed experimentally as an enhancement of the production of identical bosons with small four-momentum difference Q relative to a production that would occur in a world without Bose-Einstein statistics. In this thesis, BEC are studied between identical pions produced in electron-positron collisions at a center-of-mass energy of 91 GeV in the LEP e+ e− Collider of CERN, near Geneva. The final-state particles of these collisions are detected in the detector of the L3 experiment, which is positioned at one of the four intersections of LEP. According to the present picture of boson production in electron-positron collisions, these two ̄ colliding particles annihilate to first produce a pair of a quark, q, and an antiquark, q, having the ̄ center-of-mass energy of the original electron-positron pair. The q and q try to separate from each other but are held back by the strong color force acting between them. In the simplest case, ̄ this string-like field breaks into a number of further q q pairs which finally combine into particles. These particles are observed in the detector in the form of two jets of particles moving in opposite directions. ̄ However, in the quantum chromodynamic field spanned between a q and a q, field quanta, so-called gluons, g, can be radiated. Contrary to photons in the case of quantum electrodynamics, these gluons themselves carry color charge and therefore act themselves as sources of the color field. In the next to simplest case, therefore, two string-like fields are spanned, one between the radiated gluon and the quark and one between that gluon and the antiquark. This leads to the production of three particle jets flying apart in different directions, but with the gluon jet containing two color string ends lying close to each other, both in momentum and configuration space. The motivation for our investigation is the question whether bosons originating from different but overlapping strings or string pieces show BEC, i.e., whether so-called inter-string BEC exist between ovelapping strings or string pieces. Statistics tells us that in the case of an increasing number of overlapping sources, the correlation strength λ will decrease if these sources are independent. On the other hand, the source radius R is expected to increase when the sources are dependent, since the average distance between two bosons is larger in this case. In particular, one would expect 110 1. If there are no inter-string BEC but the two strings overlap: λ2-string < λ1-string R2-string ≈ R1-string 2. If there are inter-string BEC and overlap between the two strings: λ2-string ≈ λ1-string R2-string R1-string 3. If there are no BEC between two non-overlapping sources: λ2 ≈ λ 1 R2 ≈ R 1 4. If there are BEC between two non-overlapping sources: λ2 ≈ λ 1 R2 > R 1 . In this thesis, we have searched for differences in BEC between event configurations involving two color strings such as gluon jets and those involving single strings such as quark jets. Com- parisons have been made of two-jet and three-jet events, of quark and gluon jets, and of pairs of identical pions originating from the same and from different sides of a gluon jet. The strength parameter λ and the size parameter R of the Bose-Einstein correlation function R2 are determined and compared for various configurations. The comparison of two-jet and three- jet events is performed for various values of jet resolution and in different multiplicity intervals. Quark and gluon jets are compared for various energy ranges and in various windows of particle momentum. No significant difference is observed between two-jet and three-jet events, or between quark and gluon jets. Furthermore, R2 is compared for pions originating from the same side and from different sides of the gluon jet. Studies are performed in the gluon jet of various three-jet topologies (so-called Yq events, Mercedes events and Yg events), and in different particle momentum windows, both for light-quark and heavy-quark events. Again, no obvious difference is found between the same-side and the different-side pairs. Referring back to our original motivation quoted above, at the given level of statistical signifi- cance, our results support our options (2) of the presence of BEC in pairs of pions originating from two different sources when these two sources are overlapping, or (3) of the lack of any overlap at all. Further analysis will be needed to distinguish between these two remaining alternatives.Het verschijnsel van Bose-Einstein correlaties (BEC) tussen identieke bosonen kan gebruikt wor- den voor ”femtoscopie” van de eigenschappen van bosonproductie bij botsingen van deeltjes met hoge energie. Het quantummechanische BEC effect is een directe consequentie van de symmetrie van de golffuncties van het bosonsysteem. In de astronomie wordt BEC tussen fotonen gebruikt om eigenschappen, zoals de grootte, van verafgelegen sterren te bepalen. Het BEC effect zorgt bij botsingen tussen hoog energetische deeltjes, voor een relatieve toename van de productie van bosonen met een klein verschil in vier-momentum Q. Dit is dan een toename ten opzichte van de productie die zou bestaan in een wereld waarin Bose-Einstein statistiek niet bestaat. In dit proefschrift zijn BEC tussen identieke pionen bestudeerd. Deze pionen zijn ontstaan ` uit botsingen tussen elektronen en positronen in de LEP versneller van CERN bij Gen eve. Deze versneller versnelt de deeltjes tot een energie van 45.5 GeV. De elektronen en positronen botsen op vier plaatsen. In een van deze locaties staat de detector van het L3 experiment. De data beschreven in dit proefschrift zijn hieruit afkomstig. Volgens het huidige model van boson productie bij elektron-positron botsingen, annihileren ̄ het elektron en het positron, en worden vervolgens een quark q en een antiquark q in een paar gemaakt. Dit paar heeft dezelfde energie als het oorspronkelijke elektron-positron paar. Het quark en het antiquark bewegen uit elkaar, maar dit wordt tegengewerkt door de sterke (kleur) ̄ kracht. Het snaarachtige kleurenveld breekt in het meest eenvoudige geval in meerdere q q paren die uiteindelijk deeltjes gaan vormen. Deze deeltjes worden in de detector geobserveerd als twee jets (gecollimeerde stroom van deeltjes) die in tegengestelde richting bewegen. ̄ Daarnaast kunnen in het quantum-chromodynamisch veld opgespannen tussen een q en een q veld quanta, gluonen genoemd, uitgestraald worden. In tegenstelling tot fotonen, die de veld quanta zijn van het elektrodynamische veld, dragen gluonen wel (kleur) lading. De gluonen zijn dus ook bronnen van het kleurenveld. Net iets minder eenvoudig dan de 2-jet situatie is het geval waarin er twee snaarachtige kleurenvelden worden opgespannen, namelijk een tussen het uitgestraalde gluon en het quark, en een tussen dit zelfde gluon en het antiquark. Dit leidt tot het ontstaan van drie jets van deeltjes die in verschillende richtingen vliegen. De gluonjet bevat twee uiteinden van de kleurensnaren die zowel in configuratie als momentum ruimte dicht bij elkaar liggen. Ons onderzoek wordt gemotiveerd door de vraag of bosonen die van verschillende, maar over- lappende, snaren of stukken hiervan afkomstig zijn BEC laten zien. Met andere woorden, of er inter-snaar BEC bestaat tussen overlappende snaren of snaarfragmenten. Het is op statistische gronden te verwachten dat de kracht van de correlatie λ af zal nemen indien er steeds meer onafhankelijke maar overlappende bronnen aanwezig zijn. Aan de andere 112 kant is te verwachten dat de straal van de bron R toeneemt als de bronnen wel afhankelijk zijn. De gemiddelde afstand tussen twee bosonen is in dit geval immers groter. Het is mogelijk dat de bronnen wel of niet overlappen, en dat er tussen deze bronnen wel of geen BEC bestaat. In deze gevallen kan men verwachten dat: 1. In het geval dat er geen inter-snaar BEC bestaat, en de twee snaren overlappen: λ2-string < λ1-string R2-string ≈ R1-string 2. In het geval dat inter-snaar BEC bestaat, en de twee snaren overlappen: λ2-string ≈ λ1-string R2-string R1-string 3. In het geval dat er geen BEC is tussen twee niet-overlappende bronnen: λ2 ≈ λ 1 R2 ≈ R 1 4. In het geval dat er BEC bestaat tussen twee niet overlappende bronnen: λ2 ≈ λ 1 R2 > R 1 . In dit proefschrift hebben we de verschillen in BEC bestudeerd tussen verschillende types gebeurtenissen. We hebben gekeken naar de verschillen tussen gebeurtenissen waarbij twee snaar- achtige kleurvelden opgespannen worden, en er gluonjets zijn, en gebeurtenissen waarbij een enkel veld opgespannen wordt en er alleen quarkjets zijn. De gebeurtenissen met twee en drie jets zijn met elkaar vergeleken voor quark- en gluonjets. Ook zijn paren van identieke pionen afkomstig uit dezelfde en verschillende stukken van de gluonjet vergeleken. De kracht λ en de uitgestrektheid R van de Bose-Einstein correlatie functie R 2 zijn bepaald voor de verschillende gebeurtenissen. De vergelijking van botsingen waaruit twee en drie jets ontstaan is gedaan voor verschillende waarden van de zogenaamde jet-resolution, als functie van het aantal deeltjes. Quark- en gluonjets zijn vergeleken voor verschillende energie ̈ n, en in ver- e schillende gebieden van de impuls van de deeltjes. Er is geen significant verschil gemeten tussen gebeurtenissen met twee jets en met drie jets. Ook is er geen significant verschil tussen quark- en gluonjets. Daarnaast is R2 vergeleken voor paren van pionen afkomstig uit dezelfde stukken en verschil- lende stukken van de gluonjet. Dit is bestudeerd in gluon jets afkomstig uit gebeurtenissen met drie jets in verschillende topologie ̈ n (genaamd Yq, Mercedes en Yg topologie ̈ n). Ook hier zijn e e verschillende gebieden van de deeltjes impuls bestudeerd voor gebeurtenissen waarbij zware en lichte quarks zijn gemaakt. Er is geen verschil gevonden tussen paren van pionen afkomstig uit dezelfde stukken en verschillende stukken van de gluonjet. Terug komend op de motivatie van dit proefschrift, zoals hiervoor is beschreven. Onze re- sultaten zijn statistisch in overeenstemming met optie (2), waarbij BEC aanwezig is in paren van pionen die uit twee verschillende bronnen afkomstig zijn als deze bronnen overlappen, en met (3) waarbij er geen sprake is van overlap. Nadere analyse is nodig om onderscheid te maken tussen de overgebleven alternatieven.Nijmegen U.oai:cds.cern.ch:11696362008
spellingShingle Particle Physics - Experiment
Wang, Qin
Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title_full Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title_fullStr Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title_full_unstemmed Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title_short Inter-string Bose-Einstein correlations in hadronic Z decays using the L3 detector at LEP
title_sort inter-string bose-einstein correlations in hadronic z decays using the l3 detector at lep
topic Particle Physics - Experiment
url http://cds.cern.ch/record/1169636
work_keys_str_mv AT wangqin interstringboseeinsteincorrelationsinhadroniczdecaysusingthel3detectoratlep