Charm suppression in Pb-Pb collisions at the LHC measured using D0 K-π + reconstruction with the ALICE experiment

The thesis is focused on the measurement of the nuclear modification of charm quark production, in lead-lead collisions at the Large Hadron Collider. This observable is sensitive to the interaction of this quark with the high-density strongly interacting medium formed in ultra-relativistic heavy-ion collisions and, thus, to the properties of the state of matter. The partons traversing the medium lose energy via gluon radiation or elastic collisions with other partons already present in the medium. The charm quark allows to study the mass and colour charge dependences of the energy loss, since heavy quarks are expected to behave differently from light partons. The measurement presented in this thesis is performed for the first time in nucleus-nucleus collisions, with the full reconstruction of D mesons via their hadronic decay. The strategy to reconstruct D0 mesons in the two-prong decay D0->K-π+, with the ALICE experiment, will be described. Results obtained in Pb-Pb collisions at the energy of 2.76 TeV in the centre of mass of the collision for nucleons pair will be shown. In particular, the selection cut optimization was studied to compute the raw signal of D mesons with an invariant mass analysis. Selection and reconstruction efficiencies were considered with the detector acceptance, to correct for experimental effects. The corresponding data systematic uncertainties were evaluated in detail. The comparison with the production cross section obtained in proton-proton collisions at the same energy allows then to compute the nuclear modification of D0 meson, the first direct evidence of the charm quark energy loss. The measurement was compared with other open heavy flavour results and with light-charged hadrons suppression, measured at the LHC, to test the mass and colour charge dependences of the interaction with the medium. Results have been also compared with models that compute the charm quark energy loss using different theoretical approaches. These results were recently approved by the ALICE Collaboration and a publication has been proposed and is being review by the Collaboration.

La tesi descrive la misura della modifica della produzione di quark charm, in collisioni tra ioni piombo al Large Hadron Collider. Questa misura permette di studiare l'interazione del quark charm con il mezzo ad alta densità e fortemente interagente, formato in collisioni di ioni pesanti ad energie ultra-relativistiche e le proprietà di questo stato della materia. I partoni che attraversano il mezzo perdono energia per emissione di gluoni (gluonnstrahlung) e collisioni elastiche con gli altri partoni del mezzo. Il quark charm permette di studiare come variano le proprietà dell'interazione in funzione della massa e della carica di colore del quark, poiché i modelli teorici prevedono un comportamento diverso dei quark pesanti nel mezzo, rispetto a quelli leggeri. La misura presentata in questa tesi è la prima fatta in collisioni tra nuclei pesanti, attraverso la ricostruzione esclusiva dei mesoni D nel loro decadimento adronico. In particolare, verrà presentata la strategia di ricostruzione del mesone D0 nel suo decadimento in due corpi D0->K-π+, fatta con l'esperimento ALICE. Verranno, quindi, illustrati i risultati ottenuti con i dati di collisioni Pb-Pb ad un energia nel centro di massa per coppia di nucleoni di 2.76 TeV. In particolare, è stata studiata l'ottimizzazione dei tagli di selezione per misurare il segnale, estratto con un'analisi di massa invariante. Le efficienze di selezione e ricostruzione delle particelle e gli effetti di accettanza del rivelatore, sono stati considerati con uno studio Monte Carlo, per considerare gli effetti sperimentali. Nella tesi viene anche descritto in dettaglio lo studio sulle incertezze sistematiche. Il confronto delle sezioni d'urto di produzione ottenute in collisioni Pb-Pb e protone-protone, alla stessa energia, permette di misurare il fattore di modifica nucleare del mesone D0, prima evidenza diretta di perdita energia del quark charm nel mezzo. La misura è stata confrontata con altri risultati ottenuti nel settore dei quark pesanti alla stessa energia, e con la soppressione degli adroni carichi, per valutare le dipendenze dalla massa e dalla carica di colore del quark, nella sua interazione con il mezzo. I risultati sono stati confrontati con modelli teorici che descrivono la perdita di energia del quark charm, utilizzando diversi metodi di calcolo. I risultati sono stati recentemente approvati dalla collaborazione ALICE, una pubblicazione è stata proposta ed è in fase di review nella collaborazione.