Création d’une matière atypique à RHIC. 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais.

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1 Création d’une matière atypique à RHIC

2 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

3 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

4 christelle roy - autrans, juin 2005 4 LHC@CERN FAIR@GSI 43 temps  s NN GeV États et régions du domaine nucléaire RHIC@BNL LHC@CERN 5500 2007 SPS@CERN RHIC@BNL 200 2000 AGS@BNL SPS@CERN 4.7 17.3 1986

5 christelle roy - autrans, juin 2005 5 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.”

6 christelle roy - autrans, juin 2005 6 Le Plasma de Quarks et de Gluons …  Absence d’interaction entre les partons  Transition de phase du 1 er ou 2 nd ordre …aujourd’hui F Karsch NPA698(2002)199 T c ~ 170 MeV  c ~ 0.7 GeV/fm 3

7 christelle roy - autrans, juin 2005 7 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

8 christelle roy - autrans, juin 2005 8 Suppression du J/  Les signaux du SPS Le charme du SPS NA50 Énergie transverse Centralité

9 christelle roy - autrans, juin 2005 9 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

10 christelle roy - autrans, juin 2005 10 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

11 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

12 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

13 christelle roy - autrans, juin 2005 13 ~ 650 GeV (top 5% central) Multiplicité et densité d’énergie au TOP  1/(  R 2  0 )[dE T /d  ] Bjorken : matière sans interaction en expansion longitudinale  5.5 GeV/fm 3 (3.2@SPS)  x 1.7 par rapport au SPS  >  c (QCD) ~1 GeV/fm 3 PHENIX PRL87(2001)52301;NA49 PRL75(1995)3814 Progression monotone de la multiplicité R2R2 00 ~ 1 fm/c

14 christelle roy - autrans, juin 2005 14 Les empreintes de la collision  Amplitude des spectres  Propriétés chimiques du système  Forme des spectres  Propriétés dynamiques du système 99.5% Le Bulk

15 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

16 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

17 christelle roy - autrans, juin 2005 17 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/0405068 Au freeze-out chimique 1) T ch = 160 ± 5 MeV (155@SPS ) centralité 3) Paramètre de saturation en étrangeté Collisions centrales :  s  1 (0.75@SPS) 2)  B = 24 ± 4 MeV (250@SPS)  T ch  T QCD

18 christelle roy - autrans, juin 2005 18 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

19 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

20 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

21 christelle roy - autrans, juin 2005 21 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)

22 christelle roy - autrans, juin 2005 22 Fonction d’excitation du flot Huovinen,Kolb,Heinz,Ruuskanen,Voloshin PLB503(2001)58  Phases hadronique + plasma Limite hydrodynamique atteinte (nouveau)  Thermalisation très tôt (  therm ~1fm/c) Flot elliptique important (déjà le cas au SPS)

23 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

24 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

25 christelle roy - autrans, juin 2005 25 Émergence de degrés de liberté pertinents PHENIX PRL91(2003)182301/ STAR PRL92(2004)052302 Calculs hydrodynamiques P Huovinen, P Kolb, U Heinz, P Ruuskanen, S Voloshin PLB503(2001)58 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

26 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

27 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

28 christelle roy - autrans, juin 2005 28 Les grands p t en pp (référence) et pQCD p+p  0  +Xp+p  h   +X  Bonne description théorique (NLO pQCD)  Référence bien calibrée (expérimentalement et théoriquement) PDF : CTEQ6M PRL91(2003)241803 KKP FF Kretzer FF

29 christelle roy - autrans, juin 2005 29 Production à grands p t et pQCD Collisions périphériques Collisions centrales Données AuAu périphériques en accord avec pp et pQCD (+loi d’échelle selon N coll ) Fort déficit dans les collisions AuAu centrales

30 christelle roy - autrans, juin 2005 30 Déficit des jets à grands p t + 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

31 christelle roy - autrans, juin 2005 31  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)034910 R AA = d 2 N/dp T d  (Au+Au) N Coll d 2 N/dp T d  (p+p) Facteur de modification nucléaire : L’un des résultats les plus significatifs La découverte à RHIC du jet quenching

32 christelle roy - autrans, juin 2005 32 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)034910 STAR : PRL91(2003)172302 GLV : I. Vitev, JPG30(2004)S791 + I Vitev, M Gyulassy PRL89(2002)252301

33 christelle roy - autrans, juin 2005 33 1- 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 STAR@SQM04

34 christelle roy - autrans, juin 2005 34 Le CGC proposé comme précurseur Conditions initiales à RHIC : ions lourds + énergies élevées  Densité de partons (gluons) très élevée  Noyaux en collision décrits comme des états gluoniques hautement saturés  “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/0403005 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

35 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL)

36 1975 - 2005 Plasma de Quarks et de Gluons Où en sommes-nous ? A des densités d’énergie les plus hautes jamais atteintes (  >5GeV/fm 3) Similaire à un fluide (hydrodynamique) presque parfait et qui atteint un équilibre chimique à l’hadronisation (T chem ~ T crit ) Avec une forte collectivité, dès les premiers instants (  1fm/c) Avec des degrés de liberté compatibles avec les quarks constituants Avec des densités de gluons les plus fortes jamais estimées dN/dy~1000 RHIC crée un sQGP, un système sous forte interaction D’où sommes-nous partis ?  Des collisions d’ions lourds pour caractériser la QCD (N corps) A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD » A+A versus p+A « milieu QCD froid », p+p « vide QCD »  De  s NN = 4.7 GeV (AGS@BNL) à  s NN = 200 GeV (RHIC@BNL) sQGP pour strongly interacting QGP

37 christelle roy - autrans, juin 2005 37 Que nous faut-il de plus ? Du charme  Que devient la perte d’énergie ?  pQCD reproduit qualitativement la suppression mais  des aspects importants de  E des partons : rayonnement induit et son interaction dans le milieu différence gluon/quark (u,c…)  Constance du R AA avec p T GLV : compromis entre  E, Cronin, shadowing WW : feedback du domaine des p T intermédiaires EHSW : compromis entre  E et et le spectre en p T des partons dont la pente augmente avec p T Des photons thermiques Des débuts prometteurs mais… q=5 GeV 2 /fm ^ q=15 GeV 2 /fm ^ Eskola, Honkanen, Salgado,Wiedemann NPA 747(2005)511 R AA insensible au milieu pour q>5GeV 2 /fm production des particules « épidermiques » non supprimées même aux densités les plus élevées.