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Plasma de Quarks et de Gluons 2004 - 2014 Laurent Aphecetche (SUBATECH) - François Arleo (LPTHE) Patrick Aurenche (LAPTH) - Nicole Bastid (LPCCF) Jérôme.

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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 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) Nouvelles perspectives expérimentales au LHC Moyens et prospectives

3 christelle roy - Subatech temps  s NN GeV États et régions du domaine nucléaire

4 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.”

5 christelle roy - Subatech 5 Le Plasma de Quarks et de Gluons …  Absence d’interaction entre les partons  Transition de phase du 1 er ou 2 nd ordre  Restauration de la symétrie chirale …aujourd’hui F Karsch NPA698(2002)199 T c ~ 170 MeV  c ~ 0.7 GeV/fm 3

6 christelle roy - Subatech 6 État initial Au Pré-équilibre QGP ? En équilibre ? Thermalisé? Hadronisation Interactions des hadrons Freeze-out chimique Freeze-out thermique Temps Effetscollectifs 0 fm/c2 fm/c7 fm/c DdL partoniques? Scénario d’une collision d’ions lourds  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

7 christelle roy - Subatech 7 Suppression du J/  Augmentation de l’étrangeté Les signaux (choisis) du SPS NA50

8 christelle roy - Subatech 8 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 10 février 2000 … les premières manifestations

9 christelle roy - Subatech 9 Caractéristiques : - machine dédiée - circonférence 3.9 km - 2 anneaux indépendants - flexibilité au niveau des systèmes et énergies de collision Run Ions s 1/2 [GeV ] I (2000) Au-Au 130 II (2001/02) p-p 200 III (2002/03) d-Au 200 p-p 200 IV (2003/04) Au-Au 200 ~ 10 x s 1/2 CERN-SPS Au-Au 200

10 Les 200 GeV

11 christelle roy - Subatech 11 Les témoins d’une collision violente  1/(  R 2  0 )[dE T /dy] Bjorken : matière sans interaction en expansion longitudinale  x 1.7 par rapport au SPS  >  c (QCD) ~1 GeV/fm 3  5.5 GeV/fm 3 PHENIX PRL87(2001)52301;NA49 PRL75(1995)3814 Freeze-out Chimique/Thermique PHOBOS PRC65(2002)061901R Progression monotone de la multiplicité 99.5% R2R2 00 ~ 1 fm/c

12 christelle roy - Subatech 12 Modèles statistiques (équilibres thermique - chimique au FO) Au RHIC : le système est à l’équilibre chimique F Becattini : Eur Phys JC5(1998)143 P Braun-Munzinger : PLB518(2001)41 M Kaneta : nucl-th/ Au freeze-out chimique centralité 1) T ch = 160 ± 5 MeV )  T ch  T QCD 3) Paramètre de saturation en étrangeté Collisions centrales :  s  1 2)  B = 24 ± 4 MeV

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

14 christelle roy - Subatech 14 y x pypy pxpx Asymétrie spatiale  Interactions entre les constituants  gradient de pression : asymétrie spatiale  impulsion  A y ~ 0 : le flow v 1 disparaît, seul v 2 demeure. Collisions non centrales Remonter au début par le flot elliptique Asymétrie dans l’espace des impulsions v 2 sensible aux 1 ers instants de la collision donc aux interactions partoniques dans le milieu dense JY Ollitrault PR D46(1992)229 H Sorge PRL B402(1997) 251  Émission des particules avec un angle défini par rapport au plan de réaction (décomposition en série de Fourier)

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

16 christelle roy - Subatech 16 Émergence de degrés de liberté pertinents PHENIX PRL91(2003)182301/ STAR PRL92(2004) Calculs hydrodynamiques P Huovinen, P Kolb, U Heinz, P Ruuskanen, S Voloshin PLB503(2001)58  Phases hadronique + plasma  Thermalisation très tôt (  therm <1fm/c) v 2 /n q versus p T /n q 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

17 Les responsables

18 christelle roy - Subatech 18 Suppression des jets + Quantification des effets nucléaires de la matière nucléaire froide avec les collisions pp et dAu : - effets de shadowing (modification des f ns de structures des partons) - collisions multiples (effet Cronin) Milieu dense : • perte d’énergie des partons, abaissant les p T • suppression de jets, des hadrons • phénomène  à la densité d’énergie donc à la densité gluonique (jet-quenching) Suppression à haut p T  phase QGP Cronin : collisions multiples modifiant les p T M Gyulassy, X Wang NPB420(1994)583 R Baier, Y Dokshitzer, A Mueller, S Peigne,D Schiff NPB483(1997)291 nucleon parton jet

19 christelle roy - Subatech 19  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) « Voir » l’existence d’un milieu dense Au + Au d + Au PRC69(2004) R AA = d 2 N/dp T d  (Au+Au) N Coll d 2 N/dp T d  (p+p) Facteur de modification nucléaire :

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

21 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) R dAu  = 0  = 1  = 2.2  = 3.2 Origine de la suppression : Une production de jets moindre en raison de la saturation des gluons INITIALE BRAHMS nucl-ex/ E Iancu, L McLerran PLB510(2001)145 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

22 christelle roy - Subatech 22 Que sont devenus les signaux du SPS ?

23 christelle roy - Subatech 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 ? –Production de particules à partir d’un système en équilibre chimique –Spectres en p T compatibles avec une source en équilibre thermique et en expansion avec une vitesse collective (hydrodynamique) –Vu au SPS ? Oui –Densité d’énergie  (= 5 GeV/fm 3 ) >  critique –Vu au SPS ? Oui.  (= 3.2 GeV/fm 3 ) –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, v 2 pas aussi important. Décrit par l’hydro avec des hypothèses non réalistes

24 christelle roy - Subatech 24 Les quatre ans de RHIC - II  Comment l’avons-nous caractérisé ? –Forte suppression des particules dans les collisions AuAu à haut p T (par rapport à p+p, d+Au) compatible avec la perte d’énergie des partons dans un milieu dense –Vu au SPS ? Non –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  … Alors ? sQGP pour strongly interacting QGP

25 christelle roy - Subatech 25 Les quatre papiers blancs

26 christelle roy - Subatech 26 Annexe

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

28 christelle roy - Subatech 28 Luminosités 100 GeV/u31.2 GeV/u Phenix1370 (15x)21.8 Star1270 (21x)20.7 Brahms560 (13x)12.2 Phobos540 (7x)12.3 Luminosités totales en  b -1 (par rapport au Run-2) AuAu • 12 semaines (100, 31.2 GeV/u) • L= cm -2 s -1 à 100GeV/u p  • 5 semaines • L = cm -2 s -1 à 100 GeV/u

29 christelle roy - Subatech 29 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  p  p : 23 Millions d’é vts

30 christelle roy - Subatech 30 Les quatre expériences

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

32 christelle roy - Subatech 32 Spectres des  ±, p(pbar) ~reproduits par l’hydrodynamique avec une EOS-QGP à  0 =0.6 fm/c Pions Lignes pleines : QGP+HG / pointillées: HG Physique « soft » & Hydrodynamique Protons

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

34 christelle roy - Subatech 34  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 STAR: nucl-ex/ Tomographie du milieu dense  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

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

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

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

38 christelle roy - Subatech 38 Haut p T au SPS • π 0 à haut p T dans les collisions centrales (0-10%) au SPS (et ISR) : compatible avec “N coll -scaling” ou effet Cronin D.d'E. PLB 596, 32 (2004)

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

40 christelle roy - Subatech 40 STAR PRELIMINARY GeV : Symboles fermés  4 < p T trig < 6 GeV/c Symboles ouverts  6 < p T trig < 10 GeV/c Particules associées 0.15 < p T < 4 GeV/c Hadrons des collisions centrales Au+Au : • supérieurs en nombre • plus « mous » en p T • 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 et équilibre

41 christelle roy - Subatech 41 R cp des particules étranges R cp Différence Baryons - Mésons

42 christelle roy - Subatech 42 R AA des particules étranges K ±, K 0 s,  et h - : même comportement p, ,  ont une hiérarchie différente h-h-

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

44 christelle roy - Subatech 44 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 S.Jacoob, J.Cleymans hep-ph/ A.Tounsi, K.Redlich J. Phys. G27 (2001) 589 Suppression canonique - I

45 christelle roy - Subatech 45 E est une fonction décroissante de l’énergie de collision La SC explique l’augmentation de l’étrangeté et prédit la même hiérarchie que les données 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 !!!! Suppression canonique - II

46 christelle roy - Subatech 46 Stopping

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

48 christelle roy - Subatech 48 Au+Au  s NN =200 GeV Un comportement complexe « simplement » expliqué à un niveau partonique … à p T intermédiaire ! Au+Au  s NN =200 GeV STAR Preliminary MinBias 0-80% • flow partonique • v 2 s ~ v 2 u,d ~ 7% 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/ 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/ flot par constituant Idée d’un flot par constituant – Modèles de coalescence Flot elliptique développé à un niveau partonique Flot partonique

49 christelle roy - Subatech 49 Un régime quantitativement nouveau SPSRHICLHC Start √s NN (GeV) x28 dN ch /dy ?  0 QGP (fm/c) Faster T/T c Hotter  (GeV/fm 3 ) Denser  QGP (fm/c)≤22-4> 10Longer V f (fm 3 )qq 10 3 qq 10 4 qq 10 5 Bigger

50 christelle roy - Subatech 50 •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     K K K K p p p p FO chimique FO thermique p K 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 Résonances des particules étranges

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

52 christelle roy - Subatech 52 •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  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  in = 30 mb Npart (Glauber) WA97 : Nucl. Phys. A661(1999)130


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