Le futur des ions lourds Passé Présent Futur NA38, NA50 1 Depuis 1986

Introduction Interaction forte (QCD) – Responsable de la cohésion des noyaux des atomes – Responsable de la cohésion des hadrons (proton, neutron,pions…) – Les hadrons = états liés de quarks et de gluons – Les gluons = vecteurs de l’interaction entre quarks – Dans la nature on ne voit pas de quarks et de gluons “libres”  confinement – Prédiction : à une densité nucléaire (température) suffisamment élevée, une transition de phase devrait apparaître : confinement  déconfinement – Milieu déconfiné = Plasma de Quarks et de Gluons Objectifs de l’étude du PQG: -Étudier le déconfinement (confinement) -Étudier le diagramme de phase de QCD 2 ~10 12 K ~10 fois la densité nucléaire classique

Plasma de Quarks et de Gluons 3 RX J  Effondrement d’étoile  Grande densité de matière (5 à 10 fois la densité nucléaire standard)  Matière confinée  plasma  haute temperature (10 12 K)  s. : Plasma  matière confinée Haute température : Big Bang Haute densité : Cœur des étoiles à neutron

Plasma de quarks et de gluons Les collisions d’ions lourds – Principe : envoyer deux noyaux à très grande énergie (vitesse) l’un contre l’autre  très grande densité d’énergie (température) au moment de la collision. 4 Dynamique classique QGP hors équilibre QGP à l’équilibre Phase d’hadronisation Gel cinématique

Ions lourds – les machines Le passé – CERN/SPS : 1986 – 2000 Le présent – BNL/RHIC : depuis 2000 Le présent – CERN/LHC : depuis 2010 SPS RHIC LHC 5

Le passé – SPS :  s=17 GeV Suppression des quarkonia – J/  = état cc lié par l’interaction forte – Si déconfinement (écrantage de couleur) pas d’état lié – Plusieurs états cc, différentes températures (prédictions lattice QCD) – Quarkonia = sondes idéales pour tester le déconfinement et lattice QCD Probabilité de survie quarkoniumécrantage NA50, PbPb  s NN =17.2 GeV  (2S)  (1S) 6 centralperipheralmid collisions

Le passé – SPS :  s=17 GeV Février 2000 Gas: particles only know about each other when they bump 7

Le présent – RHIC :  s=200 GeV Depuis 2000 – collisions Au+Au – Deux résultats marquants Elliptic flow : test des effets collectifs, écoulement Jet quenching : perte d’énergie dans le milieu, opacité QGP à l’équilibre 8

RHIC – elliptic flow x y z Dans un milieu fortement interagissant Anisotropie spatiale  anisotropie impulsionnelle (gradient de pression plus grand dans le plan de réaction)  V2>0 V2=0 V2<0 Le milieu se comporte comme un liquide Résultats reproduits par modèles hydrodynamiques faiblement visqueux 9

Rhic – jet quenching medium-induced radiation p+p p T trig > 4 GeV/c 2 GeV/c <p T assoc < p T trig Au+Au p T trig > 4 GeV/c 2 GeV/c <p T assoc < p T trig Perte d’énergie dans le milieu Très forte suppression  Milieu très opaque  sQGP = strongly interacting QGP Pas de perte d’énergie dans le milieu 10

RHIC : un liquide plutôt qu’un gaz Liquid: particles exert forces on one another all the time, flows in a coordinated fashion Gas: particles only know about each other when they bump Free streaming Hydro evolution 11

RHIC : les quarkonia PHENIX – NA50 – GeV Suppression similaire du J/  Interprétation difficile encore aujourd’hui. Plusieurs possibilités : - Recombinaison - Suppression séquentielle - Contribution des effets froids Intérêt de mesurer les quarkonia au LHC Rapport de modification nucléaire si pas d’effets nucléaires, R AA = 1 12

Le présent – LHC LHC à  s ~ 2760 – 5500 GeV SPS 17 GeV RHIC 200 GeV LHC 5.5 TeV initial T~ 200 MeV~ 300 MeV> 600 MeV volume10 3 fm fm fm 3 life-time< 2 fm/c2-4 fm/c> 10 fm/c ALICE : dédiée ions lourds ATLAS/CMS : généralistes LHC – Phase 0 : nb -1 PbPb à  s NN = 2.76 TeV Référence pp à  s NN = 2.76 TeV 30 nb -1 pPb à  s NN = 5 TeV 13

Le présent – LHC Flow PRL 105, (2010) Elliptic flow : Pas de différence LHC.vs. RHIC 2760.vs. 200 GeV Même propriétés hydrodynamiques au LHC et au RHIC Mais possibilité d’étudier les fluctuations dans l’état initial v2v2 v3v3 v4v4 14

Le présent – LHC Jet quenching – CMS PbPb 0-10% Area normalized to unity Pythia+Hydjet Corrélations photon-jet RHIC -Très forte suppression même à grand p T -Pas de suppression des photons -Pas de suppression des W/Z -Premières corrélations photon-jet 15

Le présent – LHC Quarkonia : J/  – ALICE, CMS J/  ALICE mid/forward rapidity Moins de suppression qu’à RHIC Recombinaison ? CMS mid rapidity, p T > 6.5 GeV/c Plus de suppression qu’à RHIC Suppression du J/  direct ? Pas de recombinaison ?  ’ CMS :  ’ moins supprimé que J/  ALICE : pas de  ’ vu 16 Voir les données pPb

Le présent – LHC Quarkonia : upsilon – CMS (Camelia Mironov, HP2012) T d (  1S ) > T d (  2S ) > T d (  3S )  (2S)  (1S) NA50, PbPb  s NN =17.2 GeV 0<y<1 17

Le futur des ions lourds CERN council open symposium on european Strategy for Particle Physics – september Conclusions of the Town Meeting : Relativistic Heavy Ion Collision ( 1.The top priority for future quark matter research in Europe is the full exploitation of the physics potential of colliding heavy ions in the LHC. 2.At lower center of mass energies where the highest baryon densities are reached, advances in accelerator and detector technologies provide opportunities for a new generation of precision measurements that address central questions about the QCD phase diagram. 3.The complementarity of LHC and RHIC is an essential resource in efforts to quantify properties of the Quark-Gluon Plasma. 4.Dedicated investments in theoretical research are needed to fully exploit the opportunities arising from the upcoming precision era of nuclear research at collider and fixed target energies. 18

1.The top priority for future quark matter research in Europe is the full exploitation of the physics potential of colliding heavy ions in the LHC. LHC – Phase 0 : nb- 1 PbPb à  s NN = 2.76 TeV Référence pp à  s NN = 2.76 TeV 30 nb -1 pPb à  s NN = 5 TeV 2013 – 2014 : LHC Long Shutdown 1 (upgrade machine) LHC – Phase 1 : 2015 – 2017 – ~0.3 nb -1 /an  1 nb -1 PbPb à  s NN = 5.5 TeV – Référence pp et pPb 2017 – 2018 : LHC Long Shutdown 2 (upgrades détecteurs) LHC – Phase 2 : 2019 – LS3 (~2022) et après – ~2-3 nb -1 /an  10 nb -1 PbPb à  s NN = 5.5 TeV – Référence pp et pPb – PbPb et autres noyaux Upgrades détecteurs – ALICE – améliorer le tracking à bas p T, vertexing, PID, réduire le budget matière, améliorer le taux d’acquisition détecteurs/readout. Inner Tracker System (rapidité centrale) T rajectographie plus performante au plus près du vertex Time Projection Chamber (rapidité centrale) Amélioration le taux de readout limité aujourd’hui à 3,5 kHz : objectif = 50 KHz Muon Forward Tracker (rapidité avant 2.5 < y < 4) Ajout d’un détecteur de vertex – CMS/ATLAS Le programme “ions lourds” va bénéficier des upgrades pour le programme “pp” 19

Phase 1 (2015 – 2017): objectif 1 nb -1 – Premières mesures des corrélations Z+jet : CMS/ATLAS – Premières mesures des corrélations multi-jets : CMS/ATLAS (gluon.vs. quark jet quenching) – Mesures détaillées gamma-jet.vs. p T : CMS/ATLAS/ALICE – Meilleures mesures de la suppression des bottomonia : CMS – Mesure précise du flot du J/  ’ : ALICE/CMS – Étude de la production des saveurs lourdes (D,B) : ALICE/CMS/ATLAS Phase 2 (2019 – 2022): objectif 10 nb -1 – Mesures détaillées des corrélations Z+jet : CMS/ATLAS – Études du jet quenching à l’échelle du TeV : CMS/ATLAS – Corrélations azimuthales des charmonia : ALICE/CMS – Corrélations azimuthales des bottomonia : CMS – Paramètres de transport des saveurs lourdes : CMS/ATLAS/ALICE – Mesure des di-leptons de basse masse et bas p T : ALICE – Charmonia (J/ ,  ’) à bas p T (y=0) : ALICE 1.The top priority for future quark matter research in Europe is the full exploitation of the physics potential of colliding heavy ions in the LHC. 20

“…The town meeting also observed that the CERN SPS would be well-positioned to contribute decisively and at a competitive time scale to central open physics issues at large baryon density. In particular, the CERN SPS will remain also in the future the only machine capable of delivering, heavy ion beams with energies exceeding 30 GeV/nucleon, and the potential of investigating rare penetrating probes at this machine is attractive.”  CHIC : mesure du  c dans les collisions PbPb au SPS 2.At lower center of mass energies, advances in accelerator and detector technologies provide opportunities for a new generation of precision measurements  (2S)  (1S) PbPb  s NN =17.2 GeV 0<y<1 cc 21 J/  = (60% direct) + (30%  c  J/  + (10%  ’  J/  Suppression des charmonia au SPS Suppression des bottomonia au LHC

Le futur des ions lourds Et après ? (après LHC LS3 > 2022) – Étude de précision de QCD Fonctions de structure des protons/noyaux Matière nucléaire froide Objectif : étudier QCD dans le plus large domaine possible Hera : collisions 300 GeV Composition en gluon du proton 22

Les collisionneurs electron-proton/ion (horizon LS3~2022) – Électron = idéal pour sonder les protons (ions) – Au : ep (eA) jusqu’à 140 (90) GeV + protons polarisés – Au ep (eA) jusqu’à 2 (1.2) TeV Le futur des ions lourds 23 Régime de saturation

A Fixed Target LHC (horizon LS3~2022) – Extraction d’une fraction du halo du faisceau du LHC vers une cible (LUA9 approuvée par LHCC)  très grande luminosité (~1fb -1 /an) – pA:  s = 115 GeV (~RHIC) ; PbA :  s = 72 GeV – Explorer la limite cinématique x B =1 Le futur des ions lourds « Relatively small cost extension to LHC program. No timeline yet, but LHCC recommended further studies. » P. Newman, European Strategy Preparatory Group for Particle Physics (ESPG), Cracow, Sept 2012 « Relatively small cost extension to LHC program. No timeline yet, but LHCC recommended further studies. » P. Newman, European Strategy Preparatory Group for Particle Physics (ESPG), Cracow, Sept 2012 nuclear modification of g PDF in Au 24

Conclusion Depuis 1986 (NA38) le LLR participe à l’étude du PQG – Au SPS/CERN : NA38,NA50 Mise en évidence du QGP – Au RHIC/BNL : PHENIX Début des études des propriétés du QGP – Au LHC/CERN : CMS Nouvelles mesures précises pour diagnostiquer le QGP Le futur : – Participation aux phases 2 et 3 du LHC – études de précision des charmonia au SPS (CHIC) ? – études de précision de QCD (AFTER) ? 25