This publication describes the methods used to measure the centrality of inelastic Pb-Pb collisions at a center-of-mass energy of 2.76 TeV per colliding nucleon pair with ALICE. The centrality is a key parameter in the study of the properties of QCD matter at extreme temperature and energy density, because it is directly related to the initial overlap region of the colliding nuclei. Geometrical properties of the collision, such as the number of participating nucleons and the number of binary nucleon-nucleon collisions, are deduced from a Glauber model with a sharp impact parameter selection and shown to be consistent with those extracted from the data. The centrality determination provides a tool to compare ALICE measurements with those of other experiments and with theoretical calculations.9 MoreReceived 22 January 2013DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevC.88.044909This article is available under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 License. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI.©2013 CERN, for the ALICE Collaboration

The production of low mass e+e- pairs for m_{e+e-} < 300 MeV/c^2 and 1 < p_T <5 GeV/c is measured in p+p and Au+Au collisions at sqrt(s_NN)=200 GeV. Enhanced yield above hadronic sources is observed. Treating the excess as internal conversions, the invariant yield of direct photons is deduced. In central Au+Au collisions, the excess of direct photon yield over p+p is exponential in transverse momentum, with inverse slope T = 221 +/- 19 (stat) +/- 19 (syst) MeV. Hydrodynamical models with initial temperatures ranging from 300--600 MeV at times of ~ 0.6 - 0.15 fm/c after the collision are in qualitative agreement with the data. Lattice QCD predicts a phase transition to quark gluon plasma at ~ 170 MeV.

The first measurement of the charged-particle multiplicity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair $\sqrt{{s}_{NN}}=2.76\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$ is presented. For an event sample corresponding to the most central 5% of the hadronic cross section, the pseudorapidity density of primary charged particles at midrapidity is $1584\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}4(\mathrm{stat})\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}76(\mathrm{syst})$, which corresponds to $8.3\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.4(\mathrm{syst})$ per participating nucleon pair. This represents an increase of about a factor 1.9 relative to $pp$ collisions at similar collision energies, and about a factor 2.2 to central Au-Au collisions at $\sqrt{{s}_{NN}}=0.2\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$. This measurement provides the first experimental constraint for models of nucleus-nucleus collisions at LHC energies.

The inclusive transverse momentum ($p_{\rm T}$) distributions of primary charged particles are measured in the pseudo-rapidity range $|\eta|<0.8$ as a function of event centrality in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm{NN}}}=2.76$ TeV with ALICE at the LHC. The data are presented in the $p_{\rm T}$ range $0.1530$ GeV/$c$. In peripheral collisions (70-80%), the suppression is weaker with $R_{\rm{AA}} \approx 0.7$ almost independently of $p_{\rm T}$. The measured nuclear modification factors are compared to other measurements and model calculations.

Differential measurements of elliptic flow (${v}_{2}$) for $\mathrm{Au}+\mathrm{Au}$ and $\mathrm{Cu}+\mathrm{Cu}$ collisions at $\sqrt{{s}_{\mathrm{NN}}}=200\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}$ are used to test and validate predictions from perfect fluid hydrodynamics for scaling of ${v}_{2}$ with eccentricity, system size, and transverse kinetic energy (${\mathrm{KE}}_{T}$). For ${\mathrm{KE}}_{T}\ensuremath{\equiv}{m}_{T}\ensuremath{-}m$ up to $\ensuremath{\sim}1\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}$ the scaling is compatible with hydrodynamic expansion of a thermalized fluid. For large values of ${\mathrm{KE}}_{T}$ mesons and baryons scale separately. Quark number scaling reveals a universal scaling of ${v}_{2}$ for both mesons and baryons over the full ${\mathrm{KE}}_{T}$ range for $\mathrm{Au}+\mathrm{Au}$. For $\mathrm{Au}+\mathrm{Au}$ and $\mathrm{Cu}+\mathrm{Cu}$ the scaling is more pronounced in terms of ${\mathrm{KE}}_{T}$, rather than transverse momentum.

Flow coefficients v_n for n = 2, 3, 4, characterizing the anisotropic collective flow in Au+Au collisions at sqrt(s_NN) = 200 GeV, are measured relative to event planes \Psi_n determined at large rapidity. We report v_n as a function of transverse momentum and collision centrality, and study the correlations among the event planes of different order n. The v_n are well described by hydrodynamic models which employ a Glauber Monte Carlo initial state geometry with fluctuations, providing additional constraining power on the interplay between initial conditions and the effects of viscosity as the system evolves. This new constraint improves precision of the extracted viscosity to entropy density ratio eta/s.

ALICE is an LHC experiment devoted to the study of strongly interacting matter in proton-proton, proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions at ultra-relativistic energies. The ALICE VZERO system, made of two scintillator arrays at asymmetric positions, one on each side of the interaction point, plays a central role in ALICE. In addition to its core function as a trigger source, the VZERO system is used to monitor LHC beam conditions, to reject beam-induced backgrounds and to measure basic physics quantities such as luminosity, particle multiplicity, centrality and event plane direction in nucleus-nucleus collisions. After describing the VZERO system, this publication presents its performance over more than four years of operation at the LHC.

Azimuthal angle ($\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\phi}$) correlations are presented for a broad range of transverse momentum ($0.4<{p}_{T}<10$ GeV/$c$) and centrality (0--92%) selections for charged hadrons from dijets in Au+Au collisions at $\sqrt{{s}_{\mathit{NN}}}=200$ GeV. With increasing ${p}_{T}$, the away-side $\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\phi}$ distribution evolves from a broad and relatively flat shape to a concave shape, then to a convex shape. Comparisons with $p+p$ data suggest that the away-side distribution can be divided into a partially suppressed ``head'' region centered at $\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\phi}~\ensuremath{\pi}$, and an enhanced ``shoulder'' region centered at $\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\phi}~\ensuremath{\pi}\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}1.1$. The ${p}_{T}$ spectrum for the associated hadrons in the head region softens toward central collisions. The spectral slope for the shoulder region is independent of centrality and trigger ${p}_{T}$. The properties of the near-side distributions are also modified relative to those in $p+p$ collisions, reflected by the broadening of the jet shape in $\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\phi}$ and $\ensuremath{\Delta}\ensuremath{\eta}$, and an enhancement of the per-trigger yield. However, these modifications seem to be limited to ${p}_{T}\ensuremath{\lesssim}4$ GeV/$c$, above which both the hadron pair shape and per-trigger yield become similar to $p+p$ collisions. These observations suggest that both the away- and near-side distributions contain a jet fragmentation component which dominates for ${p}_{T}\ensuremath{\gtrsim}5$ GeV/$c$ and a medium-induced component which is important for ${p}_{T}\ensuremath{\lesssim}4$ GeV/$c$. We also quantify the role of jets at intermediate and low ${p}_{T}$ through the yield of jet-induced pairs in comparison with binary scaled $p+p$ pair yield. The yield of jet-induced pairs is suppressed at high pair proxy energy (sum of the ${p}_{T}$ magnitudes of the two hadrons) and is enhanced at low pair proxy energy. The former is consistent with jet quenching; the latter is consistent with the enhancement of soft hadron pairs due to transport of lost energy to lower ${p}_{T}$.

The first measurement of two-pion Bose-Einstein correlations in central Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 2.76$ TeV at the Large Hadron Collider is presented. We observe a growing trend with energy now not only for the longitudinal and the outward but also for the sideward pion source radius. The pion homogeneity volume and the decoupling time are significantly larger than those measured at RHIC.

For Au + Au collisions at 200 GeV, we measure neutral pion production with good statistics for transverse momentum, pT, up to 20 GeV/c. A fivefold suppression is found, which is essentially constant for 5 < pT < 20 GeV/c. Experimental uncertainties are small enough to constrain any model-dependent parametrization for the transport coefficient of the medium, e.g., q in the parton quenching model. The spectral shape is similar for all collision classes, and the suppression does not saturate in Au + Au collisions.