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21/11/2002YS 1 Transitions de phase de la matière nucléaire Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire Formation et étude de la matière.

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1 21/11/2002YS 1 Transitions de phase de la matière nucléaire Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire Formation et étude de la matière nucléaire déconfinée

2 21/11/2002 YS2 Transitions de phase de la matière nucléaire Au-delà denviron K, QCD, la théorie qui décrit les particules en interaction forte, prédit que la matière nucléaire subit une transition de phase pour former un plasma des constituants élémentaires de la matière … Thermodynamique de la matière nucléaire Les collisions dions lourds aux énergies ultra relativistes Du SPS au RHIC, en attendant le LHC q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q

3 21/11/2002 YS3 Thermodynamique de la matière nucléaire Dépendance des propriétés de la matière avec (T,P), étudiée comme une conséquence de la structure en quarks de la matière: Comment les phénomènes collectifs et les propriétés macroscopiques de systèmes mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté découlent des lois microscopiques de la physique des particules. Tester linteraction forte à léchelle QCD (déconfinement et symétrie chirale) QCD eV > GeV/fm 3 ) quarks ( masse libre ) interaction forte

4 21/11/2002 YS4 Thermodynamique de la matière nucléaire température pression glace vapeur liquide point critique point triple H2OH2O Diagramme des phases en fonction de paramètres de contrôle (conditions externes) (T c, P c ): transition de phase du 1 er ordre ( discontinuité dans S, V ) = (T c, P c ): transition de phase du 2 eme ordre ( discontinuité dans C p, T ) (T c, P c ): changement de phase crossover ( les variables thermodynamiques varient rapidement )

5 21/11/2002 YS5 Diagramme de phase de la matière nucléaire Paramètres de contrôle: Température (T[MeV]) ou densité dénergie ( [MeV/fm 3 ]) Densité baryonique ( [baryons/fm 3 ]) ou potentiel chimique baryonique ( B [MeV]) (T,V, ) = E-TS- B : augmentation de lénergie quand B B+1 B (T, ) = B/V : densité baryonique (équation détat)

6 21/11/2002 YS6 Diagramme de phase de la matière nucléaire Energy density (MeV/fm 3 )

7 21/11/2002 YS7 QCD à haute température MS prédit loccurrence de transitions de phase comme une conséquence de la brisure de symétries fondamentales de la nature (origine de la masse) et … QCD sur réseau calcul quà T c > 200 MeV, la matière est déconfinée et … La symétrie chirale est approximativement restaurée : les quarks retrouvent leur petite masse

8 21/11/2002 YS8 QCD sur réseau : formation du plasma Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres =0 Augmentation brutale de à T c 170 MeV ( c 700 MeV/fm 3 ). Plateau à 80% limite SB. Comportement indépendant de N F et m q ; m s T c. m u = m d = m s m u = m d m u = m d ; m s m u,d Saveurs lourdes supprimées exp(-m c,b,t /T)

9 21/11/2002 YS9 QCD sur réseau : gaz parfait Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres T 3T c pression très en-dessous limite SB, interaction forte entre q, q et g persite dans le plasma. T T c (LHC) gaz parfait de quantas QCD ( s 0). m u = m d = m s m u = m d m u = m d ; m s m u,d Saveurs lourdes supprimées exp(-m c,b,t /T) =0

10 21/11/2002 YS10 QCD sur réseau : symétrie chirale T T c symétrie chirale brisée; énergie dune source de couleur isolée diverge (confinement). T T c symétrie chirale restaurée; couleur déconfinée dans le plasma. 0 L R + R L 0 0 Nombre de paires qq dans le vide QCD L exp(-f q /T) ; f q énergie libre =0

11 21/11/2002 YS11 Diagramme de phase : état des lieux Ordre de la transition: B = 0 : crossover (m u,d 0 0) B 0 : 1 er ordre Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons

12 21/11/2002 YS12 Matière nucléaire à haute température De la matière à T = O (10 12 K) Univers primordial (matière relativiste) : R T -1 t 1/2 La matière existait sous forme de QGP à t= s après le Big Bang. Transition de phase saccompagne de la formation de bulles hadroniques abondance relative des éléments légers à t 10 minutes. Collisions Ions Lourds

13 21/11/2002 YS13 Matière nucléaire à haute température De la matière à T = O (10 12 K) Collisions dions lourds à des énergies relativistes AGS (1980) 2 GeV SPS (1990) 18 GeV RHIC (2000) 200 GeV LHC (2007) 5500 GeV

14 21/11/2002 YS14 Lère des collisionneurs <0.2~0.5~1 0 (fm/c) <1 QGP (fm/c) 2x10 4 7x V f (fm 3 ) (GeV/fm 3 ) 3-8 x dN ch /dy s 1/2 (GeV) LHCRHICSPS Central collisions ALICE Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD), Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets,, Q, Z, W Un nouveau domaine en x (Q S A 1/3 /x, CGC)

15 21/11/2002 YS15 Collisions dions lourds Exploration dynamique du diagramme de phase Noyaux aplatis par la contraction de Lorentz Libération de partons dans collisions inélastiques NN Thermalisation des partons libérés p z p T Gel des collisions à T f ; B 0 à y 1 Hadronization par création qq B = 0 à y=0 y B 0+1

16 21/11/2002 YS16 Collisions dions lourds Densité dénergie ( = t 2 -z 2 ) = 1/ A dE T /d =0 = dE T /d SPS 3.2 GeV/fm 3 De la matière est formée au-delà des conditions critiques s NN =18 GeV

17 21/11/2002 YS17 Collisions dions lourds Densité dénergie ( = t 2 -z 2 ) = 1/ A dE T /d =0 = RHIC 5+ GeV/fm 3 De la matière est formée au-delà des conditions critiques s NN =130 GeV

18 21/11/2002 YS18 Collisions dions lourds Densité baryonnique s NN =18 GeV Rapidité d B /dy Densité baryonnique nette en forte diminution

19 21/11/2002 YS19 Collisions dions lourds Densité baryonnique Létat final nest pas exclusivement issu de la désexcitation du QGP

20 21/11/2002 YS20 Evolution spatio-temporelle de la collision e espace Temps Au Expansion Hadronisation t 5 fm/c Gel chimique; T c 170 MeV p K Gel thermique t 100 fm/c T f 100 MeV QGP t 0.5 fm/c e jetjet Pre- é quilibre

21 21/11/2002 YS21 Boltzmann: dN/dm t exp(-m t /T) Collisions dions lourds Équilibre thermique Les conditions thermodynamiques sont déterminées à partir des hadrons émis au moment du gel thermique

22 21/11/2002 YS22 Collisions dions lourds Équilibre chimique Les hadrons sont formés en équilibre chimique ! Température et écoulement collectif

23 21/11/2002 YS23 Diagnostiquer l état de la matière (1) Les sondes molles : production thermique de hadrons Multiplicité Spectre Corrélations à 2 particules (HBT) Composition chimique de l état final : distillation de S Écoulement collectif des particules 99.5%

24 21/11/2002 YS24 Les défis Techniques : détecteurs + déclenchement + analyse Identifier les traces de 700 (8000 au LHC) particules par unité de rapidité Les sondes intéressantes sont rares (production, mode de décroissance) Physiques : théorie + phénoménologie Des effets purement hadroniques peuvent être confondus avec des effets dus au QGP Les effets nucléaires modifiant létat initial et final doivent être connus : e + e - pp pA AA 1,2

25 21/11/2002 YS25 Au+Au à s NN = 130 GeV Collision périphérique

26 21/11/2002 YS26 Au+Au à s NN = 130 GeV Collision semi-centrale

27 21/11/2002 YS27 Au+Au à s NN = 130 GeV Collision centrale

28 21/11/2002 YS28 Pb+Pb à s NN = 5.5 TeV

29 21/11/2002 YS29 Multiplicité des hadrons dans létat final AA= pp + O (milieu) dN ch /d ~ 2500 pp h plus efficace dans le milieu que dans le vide Q 2 S = N/R 2 A Prédiction incertaine, il faut mesurer ( )

30 21/11/2002 YS30 Écoulement collectif : dynamique initiale x z y y x hadron Mesure: réponse du système à la pression initiale capacité du système à transformer anisotropie spatiale en anisotropie en moment

31 21/11/2002 YS31 Écoulement elliptique anisotropie spatiale anisotropie des moments saturation de la limite hydrodynamique observée Thermalisation achevée à T > T c, La pression responsable de lexpansion est générée par un QGP thermalisé Mesure de EOS du QGP, p/ SSM M temps

32 21/11/2002 YS32 Distillation détrangeté Contenu en étrangeté Rapports B/B STAR preliminary gg ss SB m s 0 Blocage de Pauli u,d

33 21/11/2002 YS33 Diagnostiquer l état de la matière (2) Les sondes pénétrantes Produites dans la phase thermalisée et sans interaction forte dans létat final: Photons réelles Photons virtuels q q e-e- e+e+ e-e- e+e+ q qg photonslow mass dileptons QGP : hadron gas : thermomètre modification des mésons par milieu, J/ l + l -

34 21/11/2002 YS34 Photons directs au SPS : thermomètre... au-delà dune superposition de collisions pp + effets nucléaires dans létat initial + production thermique (QGP+HG) T = MeV Difficile, mais signal important attendu à RHIC et au LHC

35 21/11/2002 YS35 Dissolution du méson Modification de la fonction spectrale du méson par le milieu : effet dynamique restauration partielle S

36 21/11/2002 YS36 Dissociation du cc Drell-Yann est la référence Suppression normale Suppression(s) anormale(s) c c c c c c Écrantage de couleur gg cc lors de la thermalisation Énergie transverse (GeV) J/ + - /Drell-Yan

37 21/11/2002 YS37 Dissociation du cc et bb thermomètre Les états des quarkonia sont dissous à différentes températures

38 21/11/2002 YS38 … mais beaucoup de cc (100) dans NN indépendants, D+D J/ +X B J/ effets nucléaires (shadowing, quenching) Augmentation ou Suppression du J/ ?

39 21/11/2002 YS39 Diagnostiquer l état de la matière (3) Les sondes dures : diffusion élastique q et g à grand Q 2 Diffusion de q,g à grand p t dans phase initiale Atténuation ( dE/dx) lors du passage dans la matière

40 21/11/2002 YS40 Observation des jets Jet event in e e collision STAR Au+Au (jet?) event

41 21/11/2002 YS41 Observation des jets corrélation entre hadrons de grand p t

42 21/11/2002 YS42 Perte dénergie des q,g dans le milieu hadrons Particule dominate hadrons Particule dominante Observables : perte dénergie des particules dominantes désalignement des jets opposés

43 21/11/2002 YS43 Perte dénergie des particules dominantes Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification D z milieu p T ou x T ?

44 21/11/2002 YS44 Perte dénergie des particules dominantes R AA 1 : effet nucléaire dans létat final (effet Cronin) SPS

45 21/11/2002 YS45 Désalignement des jets opposés Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ?

46 21/11/2002 YS46 Jets au LHC Hadrons de fragmentation Fond sous-jacent GeV50-80 GeV GeV GeV GeV GeV GeV GeV p T > 2 GeV/c

47 21/11/2002 YS47 Jets au LHC Grand p T augmentent plus rapidement que le fond thermique jet Collision axis

48 21/11/2002 YS48 Le QGP en bref Des calculs LQCD de plus en plus réalistes et précis prédisent une changement de phase vers de la matière déconfinée et la restauration de la symétrie chirale à T= et = 0.7 GeV/fm 3 Les données collectées dans les collisions dions lourds indiquent : Au SPS les conditions critiques sont atteintes et certaines signatures sont compatibles avec la formation dun QGP: Suppression du J/ (écrantage de couleur) Dissolution du méson (restauration symétrie chirale) Lémission de photons thermiques (rayonnement du QGP) La distillation détrangeté(hadronisation par production de paires)

49 21/11/2002 YS49 Le QGP en bref Au RHIC ces observations sont confirmées et plus de précisions sont apportées : La matière est en équilibre chimique et thermique au-delà de T c Il persiste une composante baryonique à mi-rapidité La production de jets est observée (détectable) …et permet de diagnostiquer la nature du milieu chaud (tomographie) Plus à venir : quarkonia, photons directs, quarks lourds Le futur au LHC apparaît excitant, même si lointain Un plasma plus chaud, plus longtemps Formation dun gaz parfait de quanta QCD Production de hadrons dominés par la fragmentation de jets Un domaine inexploré à petit x (saturation, QCD classique, CGC)

50 21/11/2002 YS50 Lère des collisionneurs <0.2~0.5~1 0 (fm/c) <1 QGP (fm/c) 2x10 4 7x V f (fm 3 ) (GeV/fm 3 ) 3-8 x dN ch /dy s 1/2 (GeV) LHCRHICSPS Central collisions ALICE Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD), Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets,, Q, Z, W Un nouveau domaine en x (Q S A 1/3 /x, CGC)

51 21/11/2002 YS51 Expansion velocity ~ 0.5 c at SPS ~0.7 at RHIC at SPS ??? at RHIC B ~ 50 at RHIC B ~ 250 at SPS s ~ 1 at RHIC s ~ 0.8 at SPS jets


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