Fragmentação de jatos e perda de energia em colisões ultrarelativísticas de íons pesados

Abstract

Nesta dissertação, estudamos a produção de hádrons em processos de fragmentação de jatos, bem como alguns mecanismos de perda de energia, em colisões ultrarelativísticas de íons pesados, onde é esperada a produção de um novo estado da matéria chamado Plasma de Quarks e Glúons (QGP). Neste estado, que sobrevive por um curto período, acredita-se que os quarks e glúons encontram-se desconfinados, ao contrário do que acontece na matéria nuclear que constitui prótons, nêutrons e núcleos. Ao longo deste trabalho, calculamos a produção de jatos em colisões próton-próton e por meio da fragmentação destes jatos, calculamos a produção de hídrons em colisões próton-próton (pp), próton-núcleo (pA) e núcleo-núcleo (AA) nos colisores Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), em Brookhaven National Laboratory (EUA), e no Large Hadron Collider (LHC), no CERN (Suíça). A produção de hádrons na fragmentação de jatos é descrita com o auxílio das funções de fragmentação, que fornecem a probabilidade de um párton (quark ou gluon) originar um hádron que porte uma fração de momento z do párton. Nas colisões pA, abordamos primeiramente os efeitos nucleares frios. Neste caso, levamos em considera¸c˜ao os efeitos de sombreamento de várias distribuições partônicas nucleares e posteriormente calculamos o fator de modificação nuclear para a produção de hádrons. Por outro lado, nas colisões entre íons pesados (colisões AA), observa-se uma grande supressão no número de hádrons produzidos e acredita-se que este efeito ocorra principalmente devido `a perda de energia sofrida pelo párton ao atravessar o QGP formado. Neste caso, implementamos além dos efeitos nucleares de sombreamento, também os efeitos nucleares quentes, característicos do QGP. Numa primeira abordagem, calculamos a perda de energia utilizando os mecanismos de perda de energia propostos pelos grupos BDMPS e GLV, onde o primeiro descreve o meio desconfinado como um grande conjunto de centros de espalhamento estáticos causadores de múltiplos espalhamentos, enquanto o segundo descreve o meio desconfinado como um conjunto de pouquíssimos centros espalhadores, que combinados, causam um único espalhamento duro. Em seguida, implementamos o efeito da perda de energia por meio do deslocamento positivo da fração de momento z do párton, o que leva a uma menor probabilidade do párton se fragmentar num hádron. Al´em disso, a fim de tratarmos a perda de energia de uma forma mais completa, utilizamos o mecanismo dos pesos de supressão por meio do qual é obtida uma função de fragmentação modificada pelo meio. Posteriormente calculamos o fator de modificação nuclear para estes três modelos e comparamos os resultados com os dados do RHIC e com dados recentes do LHC. A partir destas comparações, inferimos propriedades do QGP, como a sua opacidade. Em geral, mesmo considerando apenas os processos em ordem dominante, encontramos bons resultados para a produção de jatos e hádrons.

In this master thesis work, we study the production of hadrons in jet fragmentation processes, and some mechanisms of energy loss, in ultrarelativistic heavy ion collisions, where it is expected the production of a new state of matter called Quark Gluon Plasma (QGP). In this new state of matter, which survives for a short period, the quarks and gluons are expected to be deconfined, contrary to the usual nuclear matter that constitute the protons, neutrons and nuclei. Along this work we calculate the jet production in proton-proton collisions and by considering the fragmentation of these jets, we calculate the production of hadron in protonproton (pp), proton-nucleus (pA) and nucleus-nucleus (AA) collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), in Brookhaven, and in the Large Hadron Collider (LHC), at CERN. The hadron production through jet fragmentation is described with the help of the fragmentation functions, that give the probability of a parton (a quark or a gluon) to originate a hadron which carries a momentum fraction z of the parton. In pA collisions, we first consider cold nuclear effects. In this case, taking into account the shadowing effects of various nuclear parton distributions, we calculate the nuclear modification factor for the hadron production. On the other hand, in heavy ion collisions (AA), it is observed a large suppression in the number of hadrons produced, which is believed to happen mainly because of the energy loss suffered by the partons when flying through the formed QGP. In this case, in addition to the nuclear shadowing effects, we implement the hot nuclear effects, characteristic of the QGP. As a first approach, we consider different models for the energy loss, proposed by the BDMPS and GLV groups, where the former model describes the deconfined medium as a large set of static and soft scattering centers, while the latter describes the medium as a set of a very few hard scattering centers, which combined, produce a single hard scattering. We then implement these energy loss models via positive shifting in the momentum fraction z, such that the fragmentation function gives a smaller probability of the parton to fragment into a hadron. Furthermore, in order to treat the energy loss in a more complete way, we implement the quenching weights mechanism through which we obtain the fragmentation functions modified by the medium. For the three models, we calculated the nuclear modification factor and compared the results with RHIC and with recent LHC data. From these comparisons, we infer properties of the QGP, such as its opacity. In general, even considering only the processes in leading order, we find good results for the production of jets and hadrons.