(Anti)deuteron production in and out of jets in p–Pb collisions at sqrt(sNN) = 5.02 TeV with the ALICE detector at the LHC [Produzione di (anti)deuteroni dentro e fuori dai jet in collisioni p-Pb a sqrt(sNN) = 5.02 TeV con il detector ALICE a LHC]

Heavy-ion collisions at ultra-relativistic energies are one of the fundamental tools to explore the extreme conditions of the nuclear matter. In fact, in these collisions, a deconfined state of quarks and gluons, namely the Quark-Gluon Plasma (QGP), is created. This state of matter is relevant not only in nuclear physics, but also in astrophysics. In fact, it is established that some microseconds after the Big Bang, our universe was in this state of matter, and also the QGP is a candidate to explain the core of neutron stars and other compact astrophysical objects. In heavy-ion collisions a large number of particles are produced: from hadrons (among which pions, kaons and protons are the most abundantly produced) to composite objects such as light nuclei (deuteron, triton, helium-3, helium-4) and hypernuclei, along with their antiparticles. The production rate at the CERN Large Hadron Collider (LHC) for deuterons is approximately one every one thousand p-Pb collisions, while for helium-3 is even lower, one every one million events. Hence, the study of the production of light (anti)nuclei is particularly challenging. Moreover, the production mechanism of light (anti)nuclei, despite the abundance of experimental results, is still a highly debated topic in the scientific community. In fact, if we consider the energy scale in which the hadronization process happens, Lambda_QCD = 200 GeV, the QCD perturbative approach can not be applied. For this reason, the production of light (anti)nuclei is described with some phenomenological models. In particular, it is possible to identify two different classes of models: the Statistical Hadronization Model and the baryon coalescence. With the current experimental results, both models qualitatively reproduce the data, even if some tensions are present in selected results. In particular, while for the deuteron production the models do not have enough discrimination power, for the helium-3 case the data are not precise enough. Then, in order to discriminate between the two models, novel experimental observables are needed. One innovative approach is to study the production of light (anti)nuclei in and out of jets. In fact, as predicted by the coalescence model, an enhanced nucleus production is expected in jets, due to the nucleons proximity in the phase space. The production of nuclei in jets has been studied in pp collision by the ALICE experiment at CERN. In fact, even if the detector is specifically designed in order to study and characterize the QGP, its excellent particle identification capabilities allow the studies on light (anti)nucleus production. In particular, deuteron, triton, helium-3, helium-4 and their respective antiparticles have been identified in pp, p-Pb, Xe-Xe and Pb-Pb collisions at different energies, exploiting the information from the Inner Tracking System (ITS), Time Projection Chamber (TPC) and Time-Of-Flight (TOF) detectors. In this work, the (anti)deuteron and antiproton production in and out of jets in p-Pb collisions at the energy of 5.02 TeV in the centre-of-mass is presented. With the obtained transverse momentum distributions, the coalescence parameter in and out of jets, which is related to the probability to form a deuteron via coalescence, is evaluated. The experimental results show an enhanced deuteron coalescence probability in jets, as predicted by the coalescence model. The experimental data are also compared with both the values obtained in pp collisions and with the expectations from the coalescence model. The results are then discussed in the knowledge of the current theoretical framework. To further understand the experimental results, the deuteron-over-proton ratio in both pp and p-Pb collisions in and out of jets is evaluated, and the obtained results are coherent with the coalescence picture. The presented results contribute in a deeper understanding on the production of light (anti)nuclei. This information is not only crucial in the field of QCD, in order to understand how this object are formed, but also in the astrophysical field. In fact, these measurements can be used as an input for studies in the search of dark matter via the measurement of light (anti)nuclei in space, carried out from the AMS-02 and GAPS experiments.

Le collisioni tra ioni pesanti ad energie ultra relativistiche sono uno degli strumenti fondamentali per esplorare le condizioni estreme della materia nucleare. Infatti, in queste collisioni, è creato uno stato deconfinato di quark e gluoni, il Quark-Gluon Plasma (QGP). Questo stato della materia è importante non solo in fisica nucleare, ma anche in astrofisica. Infatti, si ritiene che in nostro universo fosse in questo stato della materia qualche microsecondo dopo il Big Bang, ed inoltre il QGP è un candidato per spiegare la composizione del core delle stelle di neutroni e di altri oggetti astrofisici compatti. Nelle collisioni tra ioni pesanti sono prodotte un numero elevato di particelle: da adroni (tra cui quelli prodotti in numero maggiore sono i pioni, i kaoni, e i protoni) a oggetti composti come nuclei leggeri (nuclei di deuterio, trizio, elio-3, ed elio-4) e ipernuclei, insieme alle relative antiparticelle. Il tasso di produzione per i deuteroni al Large Hadron Collider (LHC) del CERN è di circa uno per ogni migliaio di eventi in collisioni p-Pb, mentre per i nuclei di elio-3 tale tasso è inferiore, uno ogni milione di eventi. Dunque, lo studio della produzione di (anti)nuclei leggeri è molto impegnativo. Inoltre, il meccanismo di produzione degli (anti)nuclei leggeri, nonostante l'abbondanza dei risultati sperimentali, è ancora un argomento altamente dibattuto nella comunità scientifica. Infatti, se si considera la scala di energia relativa al processo di adronizzazione, Lambda_QCD = 200 GeV, l'approccio perturbativo della QCD non può essere applicato. Per questa ragione, la produzione di (anti)nuclei leggeri è descritta con l'uso di modelli fenomenologici. Nello specifico, è possibile individuare due differenti classi di modelli: il modello termico statistico e la coalescenza di barioni. Considerando i risultati sperimentali attuali, entrambi i modelli riproducono qualitativamente i dati, anche se sono presenti alcune tensioni in risultati selezionati. Nello specifico, mentre per la produzione di deuteroni i modelli non hanno abbastanza potere discriminatorio, per i nuclei di elio-3 i dati non hanno sufficiente precisione. Allora, per poter discriminare tra i due modelli, è necessario indagare nuovi osservabili sperimentali. Un approccio innovativo è quello di studiare la produzione di (anti)nuclei leggeri dentro e fuori i jet di particelle. Infatti, come predetto dal modello di coalescenza, è prevista una produzione aumentata di nuclei nei jet, dovuta alla prossimità dei nucleoni nello spazio delle fasi. La produzione di nuclei dentro i jet è stata studiata in collisioni pp dall'esperimento ALICE al CERN. Infatti, anche se il rivelatore è specificatamente progettato per studiare e caratterizzare il QGP, grazie alle sue ottime capacità di identificazione delle particelle è possibile studiare la produzione di (anti)nuclei leggeri. Nello specifico, nuclei di deuterio, trizio, elio-3, elio-4, e le loro rispettive antiparticelle sono stati identificati in collisioni pp, p-Pb, Xe-Xe e Pb-Pb a differenti energie, utilizzando le informazioni dei rivelatori quali il tracciatore interno (Inner Tracking System, ITS), la camera a proiezione temporale (Time Projection Chamber, TPC) e rivelatori a tempo di volo (Time-Of-Fligt, TOF). In questo lavoro è presentata la produzione di (anti)deuteroni ed antiprotoni dentro e fuori dai jet in collisioni p-Pb ad un energia di 5.02 TeV nel centro di massa. Con le distribuzioni di impulso trasverso ottenute, è valutato il parametro di coalescenza dentro e fuori dal jet, valore correlato alla probabilità di formazione del deuterone tramite il processo di coalescenza. I risultati sperimentali mostrano un aumento del parametro di coalescenza per il deuterone dentro il jet, come predetto dal modello di coalescenza. I dati sperimentali sono inoltre confrontati con la stessa quantità misurata in collisioni pp e con le previsioni teoriche del modello di coalescenza. I risultati sono inoltre discussi in relazione alle conoscenze teoriche attuali. Per poter comprendere al meglio i risultati sperimentali, è inoltre calcolato il rapporto deuterone-su-protone dentro e fuori dai jet in collisioni pp e p-Pb, e i risultati ottenuti risultano essere in accordo con le aspettative del modello di coalescenza. I risultati presentati in questo lavoro contribuiscono ad una migliore comprensione della produzione degli (anti)nuclei leggeri. Questa informazione non solo è cruciale nell'ambito della QCD, per poter comprendere come vengono formati questi oggetti, ma anche nel campo astrofisico. Infatti, queste misure possono essere utilizzate come input per studi sulla ricerca indiretta di materia oscura tramite la misura di (anti)nuclei nello spazio, portata avanti da esperimenti come AMS-02 e GAPS.