Plasma de Quarks et de Gluons

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1 Plasma de Quarks et de Gluons
Laurent Aphecetche (SUBATECH) - François Arleo (LPTHE) Patrick Aurenche (LAPTH) - Nicole Bastid (LPCCF) Jérôme Baudot (IReS) - Marc Bedjidian (IPNL) Hervé Borel (DAPNIA) - Guy Chanfray (IPNL) Marie-Pierre Comets (IPNO) - Philippe Crochet (LPC-CF) - Olivier Drapier (LLR) Christian Finck (SUBATECH) - Frédéric Fleuret (LLR) - Walter Geist (IReS) François Gelis (SPhT) - Michel Gonin (LLR) - Jean Gosset (DAPNIA) Raphaël Granier de Cassagnac (LLR) - Denis Jouan (IPNO) - Christian Kuhn (IReS) Ginès Martinez (SUBATECH) - Jean-Yves Ollitrault (SPhT) - Fouad Rami (IReS) Philippe Rosnet (LPC-CF) - Christelle Roy (SUBATECH) - Dominique Schiff (LPTO) Yves Schutz (SUBATECH) - Florent Staley (DAPNIA) Christophe Suire (IPNO) - Raphaël Tieulent (IPNL)

2 Plasma de Quarks et de Gluons
Moyens et prospectives Nouvelles perspectives expérimentales au LHC 2004 Laurent Aphecetche (SUBATECH) - François Arleo (LPTHE) Patrick Aurenche (LAPTH) - Nicole Bastid (LPCCF) Jérôme Baudot (IReS) - Marc Bedjidian (IPNL) Hervé Borel (DAPNIA) - Guy Chanfray (IPNL) Marie-Pierre Comets (IPNO) - Philippe Crochet (LPC-CF) - Olivier Drapier (LLR) Christian Finck (SUBATECH) - Frédéric Fleuret (LLR) - Walter Geist (IReS) François Gelis (SPhT) - Michel Gonin (LLR) - Jean Gosset (DAPNIA) Raphaël Granier de Cassagnac (LLR) - Denis Jouan (IPNO) - Christian Kuhn (IReS) Ginès Martinez (SUBATECH) - Jean-Yves Ollitrault (SPhT) - Fouad Rami (IReS) Philippe Rosnet (LPC-CF) - Christelle Roy (SUBATECH) - Dominique Schiff (LPTO) Yves Schutz (SUBATECH) - Florent Staley (DAPNIA) Christophe Suire (IPNO) - Raphaël Tieulent (IPNL)

3 États et régions du domaine nucléaire
temps sNN GeV 4.7 17.3 1986 200 2000 5500 2007 43 christelle roy - Subatech

4 Le Plasma de Quarks et de Gluons
JC Collins, MJ Perry PRL34(1975)1353 ”Our basic picture then is that matter at densities higher than nuclear consists of a quark soup. The quarks become free at sufficiently high density.” Les calculs les plus réalistes indiquent qu’il n’y aurait plus de discontinuité dans les propriétés thermodynamiques dans les conditions du rhic (ie pas de transition de phase du 1er ou 2nd ordre) mais une transition de style cross-over douce avec une évolution rapide en fonction de la température au voisinage de la température critique christelle roy - Subatech

5 Le Plasma de Quarks et de Gluons …
…aujourd’hui F Karsch NPA698(2002)199 Tc ~ 170 MeV c ~ 0.7 GeV/fm3 Absence d’interaction entre les partons Transition de phase du 1er ou 2nd ordre Restauration de la symétrie chirale christelle roy - Subatech

6 Scénario d’une collision d’ions lourds
État initial Au Au Pré-équilibre QGP ? En équilibre ? Thermalisé? Hadronisation Interactions des hadrons Freeze-out chimique thermique Temps Effets collectifs 0 fm/c 2 fm/c 7 fm/c DdL partoniques? Quel milieu sommes-nous parvenus à créer « en laboratoire » ? Quelles en sont ses caractéristiques ? chimiques, thermiques (cinétiques), collectives Comment peut-on le comprendre ? Des comportements similaires à ceux d’une matière composée de hadrons ? La démarche : observables selon la centralité de collision, la taille du système (p-p, p-A, A-A), d’autres observables insensibles à un milieu dense christelle roy - Subatech

7 Les signaux (choisis) du SPS
Augmentation de l’étrangeté Suppression du J/ christelle roy - Subatech

8 … les premières manifestations
10 février 2000 Des conclusions difficiles à extraire expérimentales : 1 expérience  1 observable des signatures non observées faibles déviations % aux scénarios standards théoriques : interprétations ambiguës QGP ou gaz hadronique plausible Des collisionneurs (RHIC, LHC) et une nouvelle génération d’expériences christelle roy - Subatech

9 christelle roy - Subatech
Caractéristiques : - machine dédiée - circonférence 3.9 km - 2 anneaux indépendants - flexibilité au niveau des systèmes et énergies de collision Run Ions s1/2 [GeV ] I (2000) Au-Au II (2001/02) p-p III(2002/03) d-Au IV(2003/04) Au-Au ~ 10 x s1/2 CERN-SPS Au-Au christelle roy - Subatech

10 Les 200 GeV

11 Les témoins d’une collision violente
PHOBOS PRC65(2002)061901R Progression monotone de la multiplicité 99.5% Bjorken : matière sans interaction en expansion longitudinale pR2 t0 ~ 1 fm/c e = 1/(R2t0)[dET/dy] !!! Dire que c’est à top energy Voir commentaire page 28 du white paper.. Normale que faible augmentation de RHIC au SPS car également faible augmentation de la multiplicité A ne pas prendre au serieux, mais ca veut dire en gros, que l’on etait dans le jeu!!!! e = 5.5 GeV/fm3 x 1.7 par rapport au SPS > ec (QCD) ~1 GeV/fm3 Freeze-out Chimique/Thermique PHENIX PRL87(2001)52301;NA49 PRL75(1995)3814 christelle roy - Subatech

12 Au freeze-out chimique
Modèles statistiques (équilibres thermique - chimique au FO) F Becattini : Eur Phys JC5(1998)143 P Braun-Munzinger : PLB518(2001)41 M Kaneta : nucl-th/ 1) Tch = 160 ± 5 MeV ) Tch  TQCD 2) B= 24 ± 4 MeV centralité 3) Paramètre de saturation en étrangeté Collisions centrales : s  1 Au RHIC : le système est à l’équilibre chimique christelle roy - Subatech

13 Au freeze-out thermique
Z Xu :JPG: Nucl. Part.30(2004)927 Temps Modèle hydrodynamique Source en équilibre thermique T, en expansion avec une vitesse collective (flot) <T> Tch RHIC , K, p: T ~ 90 MeV < Tch~ 160 MeV <T> ~ 0.57 c Rediffusion ,  T~150MeV, <T>~0.47c Faible sint → création plus tôt faible sint + flot  0  Flot né des interactions, très tôt, entre partons Tendances moins nettes au SPS christelle roy - Subatech

14 Remonter au début par le flot elliptique
Interactions entre les constituants  gradient de pression : asymétrie spatiale  impulsion Collisions non centrales y x Émission des particules avec un angle défini par rapport au plan de réaction (décomposition en série de Fourier) Asymétrie spatiale py px A y ~ 0 : le flow v1 disparaît, seul v2 demeure. Initialement, zone de recouvrement déformée dans l’espace (dist. des impulsions isotrope) Asymétrie dans l’espace des impulsions v2 sensible aux 1ers instants de la collision donc aux interactions partoniques dans le milieu dense JY Ollitrault PR D46(1992)229 H Sorge PRL B402(1997) 251 christelle roy - Subatech

15 Fonction d’excitation du flot
Limite hydro A RHIC Un flot elliptique important (déjà le cas au SPS) La limite hydrodynamique est atteinte (nouveau) christelle roy - Subatech

16 Émergence de degrés de liberté pertinents
Calculs hydrodynamiques P Huovinen, P Kolb, U Heinz, P Ruuskanen, S Voloshin PLB503(2001)58 Phases hadronique + plasma Thermalisation très tôt (ttherm<1fm/c) v2/nq versus pT/nq Les degrés de liberté qui priment sont des quarks constituants Un flot est créé au niveau partonique, et accréditant les modèles de coalescence de quarks PHENIX PRL91(2003)182301 / STAR PRL92(2004)052302 christelle roy - Subatech

17 Les responsables

18 christelle roy - Subatech
Suppression des jets nucleon parton jet Milieu dense : perte d’énergie des partons, abaissant les pT suppression de jets, des hadrons phénomène  à la densité d’énergie donc à la densité gluonique (jet-quenching) Suppression à haut pT  phase QGP M Gyulassy, X Wang NPB420(1994)583 R Baier, Y Dokshitzer, A Mueller, S Peigne,D Schiff NPB483(1997)291 + Quantification des effets nucléaires de la matière nucléaire froide avec les collisions pp et dAu : - effets de shadowing (modification des fns de structures des partons) - collisions multiples (effet Cronin) Color Glass Condensate; Kharzeev, Levin, Nardi, Iancu Gribov, Ryshkin, Mueller, Qiu, McLerran, Venugopalan, Balitsky, Kovchegov Cronin : collisions multiples modifiant les pT christelle roy - Subatech

19 « Voir » l’existence d’un milieu dense
Facteur de modification nucléaire : RAA = d2N/dpTd (Au+Au) NColld2N/dpTd (p+p) PRC69(2004)034910 Au + Au d + Au Évolution avec la centralité des collisions Au+Au radicalement différente de celle des collisions d+Au AuAu : effet dû à un milieu très dense (jamais observé à plus basse énergie) christelle roy - Subatech

20 Dépendance au type de particules
2- Dépendance au type de particules : Baryons/Mésons 1- suppression à haut pT: «jet quenching» Même dépendance que celle du flot elliptique, en accord avec les prédictions des modèles basés sur la coalescence de quarks christelle roy - Subatech

21 Le CGC proposé comme précurseur
Conditions initiales à RHIC : ions lourds + énergies élevées Densité de partons (gluons) très élevée Noyaux en collision décrits par une fonction d’onde colorée hautement saturée et gluonique  “Color Glass Condensate” (précurseur du QGP) E Iancu, L McLerran PLB510(2001)145  = 0  = 1 Origine de la suppression : Une production de jets moindre en raison de la saturation des gluons INITIALE RdAu X bjorken = ( 2pT/√s <<1) BRAHMS nucl-ex/ Région de prédilection pour son étude : système dAu aux grandes rapidités : Rapidité , x Effet moindre des interactions dans l’état final, dominantes dans les collisions AA  = 2.2  = 3.2 christelle roy - Subatech

22 Que sont devenus les signaux du SPS ?
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23 Les quatre ans de RHIC - I
Que sommes-nous parvenus à créer « en laboratoire » ? Les collisions à RHIC ont créé un système extrêmement dense dont les degrés de libertés pertinents paraissent être les quarks. Comment l’avons-nous caractérisé ? Densité d’énergie  (= 5 GeV/fm3) > critique Vu au SPS ? Oui.  (= 3.2 GeV/fm3) Production de particules à partir d’un système en équilibre chimique Spectres en pT compatibles avec une source en équilibre thermique et en expansion avec une vitesse collective (hydrodynamique) Vu au SPS ? Oui Flot elliptique important, dénotant des fortes interactions et atteignant la limite hydrodynamique, avec des temps de thermalisation courts (~ 1 fm/c) Vu au SPS ? Non, v2 pas aussi important. Décrit par l’hydro avec des hypothèses non réalistes christelle roy - Subatech

24 Les quatre ans de RHIC - II
Comment l’avons-nous caractérisé ? Flot partonique et facteurs de modification nucléaire montrant une dépendance au type de particules, en accord avec les modèles de recombinaison de quarks dans un milieu dense et thermalisé Vu au SPS ? Non sQGP pour strongly interacting QGP Forte suppression des particules dans les collisions AuAu à haut pT (par rapport à p+p, d+Au) compatible avec la perte d’énergie des partons dans un milieu dense Vu au SPS ? Non … Alors ? christelle roy - Subatech

25 Les quatre papiers blancs
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Annexe christelle roy - Subatech

27 christelle roy - Subatech
Les signaux du SPS WA98 Modification des propriétés du méson  Excès de photons directs christelle roy - Subatech

28 christelle roy - Subatech
Luminosités AuAu 12 semaines (100, 31.2 GeV/u) L= cm-2 s-1 à 100GeV/u pp 5 semaines L = cm-2 s-1 à 100 GeV/u Luminosités totales en b-1 (par rapport au Run-2) 100 GeV/u 31.2 GeV/u Phenix 1370 (15x) 21.8 Star 1270 (21x) 20.7 Brahms 560 (13x) 12.2 Phobos 540 (7x) 12.3 christelle roy - Subatech

29 christelle roy - Subatech
Données Au + X : ~ 95 Mevts (550 heures) dont ~ 50 M minimumBias ~ 30 M centraux ~ SSD In: 60 M : ~ 15 Mevts (78 heures) dont ~ 14 M minimumBias ~ SSD In: 14 M 23 Millions en pp à 200 GeV : 23 Millions d’évts christelle roy - Subatech

30 Les quatre expériences
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31 Coalescence des quarks
Dépendance au type de particules reproduite… RJ Fries PRC68(2003)044902 V Greco nucl-th/ … par les modèles basés sur la recombinaison de quarks christelle roy - Subatech

32 Physique « soft » & Hydrodynamique
Spectres des p±, p(pbar) ~reproduits par l’hydrodynamique avec une EOS-QGP à t0=0.6 fm/c Pions Protons Lignes pleines : QGP+HG / pointillées: HG christelle roy - Subatech

33 Hydrodynamique et thermalisation
Calculs hydrodynamiques : PHENIX PRL91(2003)182301 P. Huovinen PLB503(2001)58 Meilleur accord pour une EOS(Q) STAR PRL87(2001)182301 christelle roy - Subatech

34 Tomographie du milieu dense
STAR: nucl-ex/ Les particules subissent une perte d’énergie significative en traversant le milieu La perte d’énergie dépend du chemin parcouru dans le milieu dense jets Medium Au+Au: suppression plus importante dans la direction hors plan de réaction que dans le plan Géométrie du milieu dense se révèle d’elle-même christelle roy - Subatech

35 Suppression et rapidité
Arsene et al. PRL2003 Importante suppression à haut pT dans les collisions Au+Au centrales R=Rcp(=2.2)/Rcp(=0) Suppression encore plus importante aux grandes rapidités christelle roy - Subatech

36 RdAu et RAA en accord avec CGC
D. Kharzeev, Y.V. Kovchegov, K. Tuchin, hep-ph/ (2004) christelle roy - Subatech

37 christelle roy - Subatech
Suppression et pQCD pQCD Shadowing nucléaire Multiscattering nucléaire G.G. Barnafoldi, G. Papp, P. Levai, G. Fai, nucl-th/ (2004) R. Vogt, hep-ph/ (2004) En incluant le multiscattering : accord raisonnable pQCD et données christelle roy - Subatech

38 christelle roy - Subatech
Haut pT au SPS π0 à haut pT dans les collisions centrales (0-10%) au SPS (et ISR) : compatible avec “Ncoll-scaling” ou effet Cronin D.d'E. PLB 596, 32 (2004) christelle roy - Subatech

39 Perte d’énergie des partons et pQCD
PHENIX : PRC69(2004)034910 STAR : PRL91(2003)172302 GLV : I. Vitev, JPG30(2004)S791 + I Vitev, M Gyulassy PRL89(2002)252301 Ajustement avec pQCD ( E des partons) dNgluon/dy ~ 1100 au début de l’expansion ~30-50 la densité de gluons de la matière froide christelle roy - Subatech

40 <pT> et équilibre
STAR PRELIMINARY Hadrons des collisions centrales Au+Au : supérieurs en nombre plus « mous » en pT distribués ~ statistiquement en angle [~ cos()] par rapport à pp ou collisions périphériques Au+Au.  les produits away-side semblent approchés l’équilibre avec le milieu dense traversé, rendant la thermalisation du milieu plausible GeV : Particules associées 0.15 < pT < 4 GeV/c Symboles fermés  4 < pTtrig < 6 GeV/c Symboles ouverts  6 < pTtrig < 10 GeV/c christelle roy - Subatech

41 Rcp des particules étranges
Différence Baryons - Mésons Rcp christelle roy - Subatech

42 RAA des particules étranges
h- Phase Space suppression in pp fighting jet suppression in AuAu Particles with strange quarks scale differently to non-strange and as a fn of pT. K±, K0s, f et h- : même comportement p, L, X ont une hiérarchie différente christelle roy - Subatech

43 CGC & densité de rapidité
Color Glass Condensate reproduit les densités de rapidité à RHIC  dNg/dy ~ consistent avec la perte d’énergie des partons christelle roy - Subatech

44 Suppression canonique - I
S.Jacoob, J.Cleymans hep-ph/ A.Tounsi, K.Redlich J. Phys. G27 (2001) 589 E = (Yield)AA/(Yield)pp (*) Gd système  grandes mult.  conservation du nbre baryonique peut être réalisée en moyenne en introduisant un potentiel chimique  Grand Canonique Pt système  faibles mult.  lois de conservation implémentées localement  Canonique  la conservation des nombres quantiques réduit sévèrement l’espace disponible pour la production de particules  Suppression Canonique (SC) (*) Dénominateur réduit par SC  E   Essence même de l’augmentation de l’étrangeté Plus le contenu en étrangeté est grand, plus le facteur de suppression est petit et donc plus l’augmentation est gde de pp à AA christelle roy - Subatech

45 Suppression canonique - II
La SC explique l’augmentation de l’étrangeté et prédit la même hiérarchie que les données E est une fonction décroissante de l’énergie de collision L’augmentation des baryons multi-étranges de pp à AA est une fonction décroissante avec l’ énergie de collision Donc on attend que pour une particule donnée, l’augmentation soit moins forte au RHIC qu’au SPS Par exemple : les Omégas sont un ordre de magnitude plus gd à 8.73 qu’au SPS UrQMD prédit une augmentation d’un facteur 4 des omegas au RHIC par rapport à ceux du SPS L’augmentation de l’étrangeté n’est pas un signal non-ambigu du QGP puisqu’elle existe à des énergies où on n’attend pas le plasma !!!! christelle roy - Subatech

46 christelle roy - Subatech
Stopping La réponse est non christelle roy - Subatech

47 christelle roy - Subatech
Étude des quarkonia Faible absorption nucléaire à faible xAu (y>0) christelle roy - Subatech

48 christelle roy - Subatech
Flot partonique Un comportement complexe « simplement » expliqué à un niveau partonique Au+Au sNN=200 GeV STAR Preliminary MinBias 0-80% • flow partonique • v2s ~ v2u,d ~ 7% Au+Au sNN=200 GeV … à pT intermédiaire ! D. Molnar, S.A. Voloshin nucl-th/ V. Greco, C.M. Ko, P. Levai nucl-th/ R.J. Fries, B. Muller, C. Nonaka, S.A. Bass nucl-th/ Idée d’un flot par constituant – Modèles de coalescence Flot elliptique développé à un niveau partonique christelle roy - Subatech

49 Un régime quantitativement nouveau
SPS RHIC LHC Start 1986 2000 2007 √sNN (GeV) 17 200 5500 x28 dNch/dy 500 850 ? t0QGP (fm/c) 1 0.2 0.1 Faster T/Tc 1.1 1.9 Hotter e (GeV/fm3) 3 5 Denser tQGP (fm/c) ≤2 2-4 > 10 Longer Vf(fm3) qq 103 qq 104 qq 105 Bigger christelle roy - Subatech

50 Résonances des particules étranges
Motivation Leur temps de vie est similaire au temps de vie du système (qq fm/c)  leur taux de production peut renseigner sur le temps de vie du système (sur la soudaineté des processus d’hadronisation) Production au freeze-out chimique  rescattering  régénération L* K p FO chimique FO thermique Une séparation en temps entre les freeze-out implique qu’une partie des produits de décroissance de la résonance peuvent interagir Suppression relative (AA durée)/pp(soudain) = chronomètre christelle roy - Subatech

51 Résonances: UrQMD & données
La Dynamique est décrite en terme de collisions inélastiques et (pseudo-)élastiques. 30% de perte de (1520) à RHIC M. Bleicher and J. Aichelin Phys.Lett.B530:81-87, 2002 y christelle roy - Subatech

52 christelle roy - Subatech
Npart (Glauber) Modèle de Glauber : interprétation géométrique relativement simple de la collision : nucléons-projectile passant au travers du noyau-cible (ligne droite) et peuvent interagir plusieurs fois avec les nucléons-cible (vice-versa) Un nucléon qui a subi des interactions, reste dans son même état, donc interagit avec la même section efficace qu’au début Les multiplicités de part. chargées a nbre de nucléons participants calculés avec Glauber Entrées du modèle : dist. of de la densité de nucléons dans le noyau (paramétrée avec une fonction type Wood-Saxon) et la section eff. nucléon-nucléon sin= 30 mb WA97 : Nucl. Phys. A661(1999)130 christelle roy - Subatech