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Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz1 QCD et la transition de phase La physique des ions lourds ultra relativistes.

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1 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz1 QCD et la transition de phase La physique des ions lourds ultra relativistes

2 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz2 Motivation La propriété de liberté asymptotique de QCD implique quà suffisamment petite distance ou grand moment transféré la dynamique des quarks et gluons est décrite par un couplage faible : Formation dun plasma de quarks et de gluons à haute température, Test de linteraction forte à léchelle QCD (T QCD = 200 MeV ; > GeV/fm 3 ). La dynamique de QCD brise spontanément la symétrie chirale : Restauration de s, Origine de la masse des hadrons. A petite valeur de Bjorken-x ( < ), la fonction de distribution des gluons dans le nucléon et le noyau est saturée : Nouvelle forme de matière : couplage faible, champ de couleur fort, QCD dans le régime classique, étude des aspects non linéaires de QCD.

3 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz3 Lapproche empirique Créer, par collisions dions lourds, de la matière à haute température (T > K) et densité dénergie ( > 1 GeV/fm 3 ) dans un volume macroscopique. Étudier la dynamique du système : Équilibre chimique, thermique ? Équation détat, transition de phase ? Degrés de liberté : hadrons ou partons ? En variant les paramètres de contrôle : T(s, b), V(A, b) Propriétés de la voie dentrée, II, IF : p+p : collision élémentaire dans le vide ; p+A : modification nucléaire dans létat initial et final ; O (A+A) = O ( N+N) + (phénomènes cohérents).

4 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz4 Thermodynamique Transition de phase signalée par une discontinuité dans la variation des paramètres thermodynamiques : 1 er ordre : discontinuité dans S, V, (dérivé 1 de fonction thermodynamique), chaleur latente, coexistence de phases; 2 ème ordre : discontinuité dans C p, T (dérivé 2 de fonction thermodynamique) ; Au-delà du point critique, plus de discontinuité (crossover) : les variables thermodynamiques varient rapidement. température pression glace vapeur liquide point critique point triple H2OH2O 100°C 0°C 760mm

5 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz5 Thermodynamique de la matière nucléaire Paramètres de contrôle : Température (T[MeV]) Énergie ( [MeV/fm 3 ]) Potentiel chimique baryonique ( B [MeV]) ou densité baryonique ( [baryons/fm 3 ]) Potentiel thermodynamique : (T,V, ) = E-TS- B (grand potentiel) B: nombre baryonique (T, ) = B/V : densité baryonique (dépend de EOS)

6 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz6 Diagramme de phase de la matière nucléaire LHC RHIC SpS

7 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz7 QCD régime non perturbatif QCD sur réseau B = 0 : température de la transition Limite Stefan-Boltzmann pour un gaz de particules libres 2 saveurs : m u = m d 3 saveurs : m u = m d = m s 2+1 saveurs : m u = m d m s > m u,d saveurs lourdes exp(-m c,b,t /T) Karsch et al. N.P. B605 (2001) 579

8 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz8 QCD régime non perturbatif QCD sur réseau B = 0 : Limite Stefan-Boltzmann pour un gaz de particules libres 2 saveurs : m u = m d 3 saveurs : m u = m d = m s 2+1 saveurs : m u = m d m s > m u,d saveurs lourdes exp(-m c,b,t /T) T > 3T c ~ gaz parfait

9 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz9 QCD régime non perturbatif 0 L R + R L 0 0 Nombre de paires qq par unité de volume dans le vide QCD L exp(-f q /T) ; f q énergie libre QCD sur réseau B = 0 : symétrie chirale

10 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz10 QCD régime non perturbatif Augmentation rapide de (T) à T c constante Changement de phase sans discontinuité T c =173 ± 15 MeV, c = 0.7 – 3 GeV/fm 3 Stable avec le nombre de saveurs T < 3T c (RHIC) ~ 50% de SB T >> T c (LHC) gaz parfait de quantas QCD ( s ~ 0) Symétrie chirale restaurée à même T c B 50 MeV influe peu sur la valeur de T c

11 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz11 20 ans dexploration expérimentale Collisions relativistes dions lourds AGS (1980) 2 GeV SPS (1990) 18 GeV RHIC (2000) 200 GeV LHC (2007)) 5500 GeV

12 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz12 20 ans dexploration expérimentale Ordre de la transition : B ~ 0 : sans discontinuité B > ? : 1 er ordre (GSI/CBM) Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons

13 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz13 Lère des collisionneurs ALICE Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD), Dans un volume plus important, Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets,, Q, Z, W Un domaine en x inexploré (Q S A 1/3 /x, CGC) <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(GeV) LHCRHICSPS Central collisions

14 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz14 Dynamique de la collision 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

15 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz15 Les sondes Sondes dures de la phase initiale : Photons réels ( ) et virtuels (e + e -, + - ) Partons (q, g) diffusés à grand p T (jets) Saveurs lourdes Sondes de la phase thermalisée : Photons réels ( ) et virtuels (e + e -, + - ) Etats liés des quarkonia Sondes molles formées par hadronisation :, K, p, n,,,,,, …. Uniquement après gel des collisions inélastiques (chimique), élastique (thermique)

16 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz16 Evolution spatio-temporelle de la collision e espace Temps A A 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

17 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz17 Les observables Caractéristiques globales de létat formé M charge (b), dN/d, E T (b), B/B. Thermalisation ? Anisotropie azimutale Spectre en impulsion transverse Diagnostique de létat formé Sondes pénétrantes Degré de cohérence, densité dénergie, dynamique de formation.

18 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz18 Au+Au à s NN = 130 GeV Collision centrale STAR

19 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz19 60 < < 62 Une collision : 5.5 TeV dN/dy = 8,000

20 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz20 Multiplicité: nombre de particules chargées Multiplicité moyenne par événement évolue monotonement avec s de SpS à RHIC 120 GeV, 200 GeV) ! Production de particules augmente plus rapidement que la loi déchelle du nombre de participants : Effets de milieu cohérents ? Processus mous (N participants ) + durs N collisions ? Propriétés de la voie dentrée (saturation des gluons) ou dynamique dans létat final ? s LHC = 27,5 * s RHIC : extrapolation hasardeuse ( )

21 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz21 Rapidité : dynamique de la collision Production à mi-rapidité forme un plateau : invariance par transformation de Lorentz (limitée à | | < 2) ~ Conforme avec une expansion hydrodynamique longitudinale (modèle de Bjorken) 0-5% 5-10% 10-20% BRAHMS s NN = 200 GeV faisceau = ± 6

22 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz22 Energie transverse : densité dénergie initiale ( = t 2 -z 2 ) = 1/(2c R 2 dE t /d =0 R 2 2c Bjorken = 5.5 GeV/fm 3

23 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz23 Energie transverse : densité dénergie initiale = 5.5 GeV/fm 3 RHIC De la matière est formée au-delà des conditions critiques

24 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz24 p et p : origine des baryons A mi-rapidité (y=0) la plupart (75%) des protons (anti- protons) sont créés par la collision : les noyaux ne sont pas encore transparents; le milieu nest pas exempt de B ; b 0. BRAHMS 1.01 ± ± ± 0.04

25 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz25 p et p : origine des baryons Le rapport protons sur anti- protons approche lunité quand s augmente : B = 0, comme il y a quinze milliards dannées !

26 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz26 Equilibre thermique : spectres en impulsion transverse Distribution de Maxwell- Boltzmann (T gel ) modifiée par lexpansion radiale ( T ) de la source : énergie cinétique plus importante pour les particules plus massives. T gel (fin des diffusions élastiques) = MeV, = expériences et résultats identiques.

27 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz27 Equilibre chimique : production relative des hadrons Les hadrons sont en équilibre chimique (fin des diffusions inélastiques) à une température qui tend asymptotiquement vers ~175 MeV (SpS T = 165 MeV) Le potentiel baryonique chimique décroit avec s ( B = GeV, GeV) T c = 175 MeV !!! Formation explosive des hadrons ?

28 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz28 Et après ? avant ? Rechercher des traces de létat initial dans létat final : Écoulement collectif Distillation détrangeté Fluctuations Exploiter des sondes produites dans létat inital (processus durs) : Atténuation des jets Cassure des états des quarkonia (J/, ) Quarks lourds (c, b) Energie transverse totale Les hadrons sont formés

29 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz29 Un baromètre de létat initial Anisotropie spatiale dans létat initial, Par interaction des constituants sétablit un gradient de pression. Expansion transverse rend le système isotrope. Lanisotropie spatiale est transmise à la distribution en impulsion des hadrons dans létat final (écoulement collectif). x z y SSI I temps

30 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz30 Écoulement elliptique Détermination du plan de la réaction, Distribution de langle azimutal, Lintensité de lanisotropie est mesuré par le 2 ème coefficient du développement de Fourier atan(p y /p x ) y x hadron Hydrodynamique central STAR Anisotropie en impulsion suit lanisotropie spatiale (b) Amplitude sature les prédictions des modèles hydrodynamiques : Équilibre thermique atteint très tôt, T > T c Suivi dune expansion hydrodynamique.et hadronisation

31 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz31 Hadrons de grand p T : jet ? Quasiment toutes les particules produites à petit p T dans le secteur non- perturbatif A grand p T, apparition des jets (particules dominantes de la fragmentation) : diffusion élastique de partons à grand Q %

32 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz32 Identification des jets Collision Au+Au (jet?) Jet dans collision e + e -

33 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz33 Corrélation azimutale des hadrons Les jets sont visibles !

34 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz34 Perte dénergie des q,g dans le milieu hadrons Particule dominate hadrons Particule dominante Observables : perte dénergie des particules dominantes désalignement des jets opposés

35 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz35 Lobservable Normal : R AA < 1 secteur non- perturbatif R AA = 1 à grand pT, processus durs Suppression : R AA < 1 à grand pT / inel p+p Section efficace nucleon-nucleon AA dur mou

36 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz36 Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de PDF nucléaire modification D z milieu Perte dénergie des particules dominantes

37 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz37 Perte dénergie des particules dominantes R AA 1 : effet nucléaire dans létat final (effet Cronin) SPS

38 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz38 near side away side peripheral central Désalignement des jets opposés Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ?

39 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz39 Effets nucléaires d+Au s NN = 200 GeV : La suppression observée dans Au+Au nest pas due à un effet nucléaire. Augmentation interprétée par interactions dans létat initial (effet Cronin). (h + +h - )/2 0 PHENIX préliminaire

40 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz40 Jets au LHC Hadrons de fragmentation Fond sous-jacent GeV50-80 GeV GeV GeV GeV GeV GeV GeV p T > 2 GeV/c

41 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz41 Jets au LHC Grand p T augmentent plus rapidement que le fond thermique jet Collision axis

42 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz42 pp & pA avec ALICE ALICE exploitera ses atouts : Identification des particules sur une large gamme en impulsion, Détermination avec une bonne résolution (< 10%) de limpulsion entre 100 MeV/c et 100 GeV/c, Identification des vertex secondaires (d < 100 m). Pour : Des données de référence pour la compréhension de AA (pp vide QCD, pA milieu QCD froid), Événement sous-jacent, « bruit de fond » des processus durs rares, Fonctions de structure dans un domaine inexploré de Bjorken-x. Nouvelle énergie implique potentiel de découverte.

43 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz43 pp & pA : données de référence Liste non exhaustive : Multiplicité PDF, shadowing, saturation à petit x, Fonction de fragmentation perte dénergie des partons dans le milieu, Spectre en p T effets collectifs (écoulement transverse), Taux relatif de production des hadrons : interactions dans létat final, équilibre chimique, Calibrer toutes les sondes : étrangeté, quarks lourds, quarkonia, di-leptons, photons

44 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz44 La physique accessible Luminosité limitée à cm -2 s -1 (empilement dans TPC) 10 mois en mode pp (10 7 s) 14 TeV

45 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz45 PDF et PDF nucléaire à petit x Production de photons, quarks lourds et quarkonia dominée par PDF des gluons. Saturation des gluons (Q S A 1/3 /x ) nouvel état de la matière : couplage faible, champ de couleur intense, dynamique non-linéaire (régal des théoriciens !)

46 Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz46 Conclusion Au SpS, « un nouvel état de la matière a été formé à haute densité dénergie et qui présente les caractéristiques dun plasma de quarks et de gluons » Au RHIC, lannonce de la découverte du plasma de quarks et de gluons ne va pas tarder. De la matière hadronique est formée en équilibre chimique à T chimique ~ 175 MeV, les collisions sont gelées à T gel ~ 100 MeV, et se dilate avec une vitesse transverse égale à 55% de la vitesse de la lumière. Les gradients de pression, responsables de lexpansion hydrodynamique, se développent très vite après le début de la collision. La matière initiallement formée est en équilibre thermique et elle est opaque. Au LHC, les conditions seront réunis pour létude optimale dun gaz parfait de quanta QCD. ALICE se trouvera au carrefour de la physique nucléaire, la physique hadronique et la physique des particules.


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