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

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.