Plasma de Quarks et de Gluons Collisions d’ions lourds Christelle Roy – Subatech Points abordés QGP et ions lourds Déconfinement (diagramme des phases QCD) Scénario d’une collision Sondes employées QGP et ses propriétés Chaud (observables globales, photons) Opaque (jets, quarkonia) Fluide (effets collectifs) QGP et ses questions Avant : physique de la saturation Après : physique du LHC

Un milieu extrêmement dense La destruction des quarkonia

Destruction des quarkonia (I) Prédiction de Matsui et Satz : [Phys. Lett. B178(1986) 416] Si QGP  dissolution des paires et Production des quarks lourds (c,b) dès les premiers instants RD (fm) T/Tc Potentiel c-c : V(r) = sr - a/r où s tension de corde, a partie coulombienne du potentiel interquarks Pour T>Tc : V(r) = (C/r)e -r/RD Disparition de la tension de corde Densité élevée de charges de couleur : écrantage du terme coulombien RD rayon de Debye : fonction de T. Si T augmente, RD diminue et la liaison c-c devient impossible  charme ouvert

Destruction des quarkonia (II) Destruction des quarkonia selon la température du milieu créé Suppression du J/y : un vrai thermomètre du milieu (T>Tc?) Référence : production Drell-Yan, non influencée par la formation éventuelle d’un QGP Dimuons (Pb-Pb, 158AGeV/c) - NA50 Les états liés sont des sondes particulièrement sensibles car la probabilité de combiner des paires de quarks lourds dans la phase d’hadronisation est très faible La seule chance de produire ces quarkonia est dès que les quarks sont produits Signature ‘golden channel’ au SPS

Autre source de destruction J/y Hadron Hadron approchant le J/y 1. Champ de couleur du hadron détruit le J/y 2. 3. Effets nucléaires « froids » du milieu nucléaire et ses comovers Plus la densité augmente, plus les particules environnantes seront présentes et l’effet nucléaire prononcé. Étudié intensivement au SPS

Effets nucléaires d’absorption Absorption nucléaire « normale » : fonction de la densité d’énergie fonction de la centralité de la collision fonction de la longueur de matière traversée pas un effet d’état initial analyses finales de NA50 : sabs = 4,18  0,35 mb NA50, EPJ C39(05)335 NA50, EPJ C39 (2005) 335 J/y L Projectile Cible NA38, NPA466(99)408 NA38, NPA 466(1999) 408 Absorption nucléaire « normale » : fonction de la densité d’énergie fonction de la centralité de la collision fonction de la longueur de matière traversée pas un effet d’état initial J/y L Projectile Cible NA38, PLB444(98)516 NA38, PLB 444 (1998) 516 Absorption nucléaire « normale » : fonction de la densité d’énergie fonction de la centralité de la collision NA38, NPA544(92)209 NA38, NPA 544 (1992) 209 Absorption nucléaire « normale » : fonction de la densité d’énergie

LA suppression « anormale » Courbes d’absorption nucléaire normale du J/y Suppression anormale dans les collisions Pb-Pb

LA suppression « anormale » Suppression anormale dans les collisions Pb-Pb Deux décrochements (?) : J/y ~ 0,6 J/ + 0,3c + 0,1 ’ désintégration de mésons plus lourds, les états excités « fondant » plus facilement et produisant des J/y Tdiss (y’) ~ 0,2 Tc Tdiss (c) ~ 0,7 Tc Tdiss (J/y) ~ 2 Tc Digal, Petrescky, Satz, PRD64(01)094015

Des modèles avec QGP ’, J/ (F.Fleuret, E.Ferreiro@QGP-France07) Percolation de partons (F.Fleuret, E.Ferreiro@QGP-France07) Digal, Fortunato, Satz hep-ph/0310354 J/ ’, Empilement aléatoire de disques Taille des clusters : paramètre d’ordre Déconfinement « géométrique » Suppression directe Grandchamp, Rapp, Brown hep-ph/0306077 regeneration direct total Suppression dans QGP et phase hadronique Régénération : les quarks c et c se retrouvent après plasma (fonte du cc inclue) Régénération faible au SPS

Des modèles avec QGP ou sans QGP Percolation de partons (F.Fleuret, E.Ferreiro@QGP-France07) Digal, Fortunato, Satz hep-ph/0310354 J/ ’, Capella, Sousa EPJ C30, 117 (2003) Capella, Ferreiro hep-ph/0505032 Comovers : J/ + h  D + D + … Comovers Empilement aléatoire de disques Taille des clusters : paramètre d’ordre Déconfinement « géométrique » Suppression directe Grandchamp, Rapp, Brown hep-ph/0306077 regeneration direct total Suppression dans QGP et phase hadronique Régénération : les quarks c et c se retrouvent après plasma (fonte du cc inclue) Régénération faible au SPS

Mesure du J/y à RHIC Suppression identique à celle du SPS !!! Or à RHIC : Densité d’énergie plus élevée Effets nucléaires froids différents Des mécanismes qui gouvernent la suppression semblent plus complexes qu’une seule dépendance à la densité d’énergie

Une suppression vraiment anormale Suppression plus marquée à rapidité à l’avant (1,2 < |y| < 2,2) qu’à rapidité centrale (|y| < 0,35). Or pour les rapidités à l’avant : Densité d’énergie plus faible qu’à rapidité centrale Suppression attendue plus faible

Que disent les modèles ? Digal, Fortunato, Satz J/ ’, Capella, Sousa Capella, Ferreiro Comovers Grandchamp, Rapp, Brown Satz Rapp Capella J/,’,c All models for y=0 nucl-ex/0611020 Les modèles qui reproduisaient les données SPS prédisent une suppression trop marquée à RHIC Avec de la recombinaison de J/y ?

La solution dans la recombinaison (E.Ferreiro@QGP-France07) Ou pas ?… les problèmes… Incertitude sur scc Résultats aussi mauvais que sans recombinaison Existe avec/sans thermalisation donc avec/sans QGP R. Rapp et al. PRL 92, 212301 (2004) screening & in-medium production Thews Eur. Phys. J C43, 97 (2005) statistical and kinetic model, deconfinement & recombination Nu Xu et al. Phys.Rev.Lett. 97 (2006) 232301 transport equations & hydro & recombination Bratkovskaya et al. PRC 69, 054903 (2004) HSD, hadron-string dynamics & recombination Andronic et al. nucl-th/0611023 SCM, screening & statistical recombination of thermalized c-cbar Bravina, comovers: suppression & regeneration

Peut-on conclure ? • Pourquoi • Pourquoi (E.Ferreiro@QGP-France07) • Pourquoi données Au+Au à y=0 @ RHIC > données Au+Au à y=1.7 @ RHIC ? ____ Bravina: y=0 Besoin de connaître davantage les effets nucléaires froids en d+Au … pour reproduire les données Au-Au à rapidité centrale et à rapidité à l’avant • Pourquoi données @ RHIC = données @ SPS pour une même centralité ? CGC QGP pomeron shadowing gluon shadowing nuclear absorption recombination sequential suppression parton saturation percolation hadronic comovers partonic comovers

Un milieu extrêmement chaud Les photons thermiques

« Rayonnement » du QGP Un signal direct du QGP serait le rayonnement électromagnétique émis au cours de la phase initiale sous températures extrêmes Production attendue plus importante dans le cas d’un QGP par rapport à une phase hadronique (TQGP>THG) Shuryak, Phys. Lett. B78 (1978) 150

Les sources de photons pT (GeV/c) 1 4 O(1) O(10) O(107) Temps (fm/c) Processus durs (jets) Gaz de partons (QGP) Gaz hadronique p0, , etc... Photons thermiques g directs g désintégration Oui et non. On peut faire comme cela, mais le mieux c'est encore de  mesurer dans p+p, de "scaler" par TAB et de soustraire. Mais bon, il  se trouve qu'au RHIC les calculs pQCD reproduisent très bien les  données p+p, donc c'est kif kif. 3) Mesurer les photons thermiques Directs – pQCD (=prompts) 2) Mesurer les photons directs Nécessite une bonne mesure de (1 directs = inclusifs – désintégrations Vérifiables par pQCD à grands pt 1) Mesurer les mésons neutres (po,h) Pour maîtriser le fond g

Les photons directs de RHIC Données reproduites en incluant g thermiques (HG+QGP) + g prompts prédits par calculs NLO pQCD (Gordon, Vogelsang, PRD48 (1993)3136) Excès au-delà de pQCD Compatibilité des données avec une source QGP de photons thermiques à T = 570 MeV ! Remarques : Incertitudes encore grandes Si l’excès de photons thermiques est confirmé, quelle est la partition QGP/HG ?

Les photons directs du SPS WA98 Excès de photons dans les collisions les plus centrales Mais : pas de séparation concluante des diverses contributions (pQCD, phase hadronique ou QGP) Pas de normalisation fiable, ni de possibilité d’extraire les photons « prompts » Incertitudes importantes Donc excès ou non ? (Apanasevich, PRD63(2001)014009) pour NLO pQCD

Empreinte d’une collision d’ions lourds Bulk ==99,5% !! Régime doux Processus mous pt < 2- 3 GeV/c Amplitude des spectres Propriétés chimiques composition chimique équilibre chimique … Forme des spectres Propriétés dynamiques phénomènes collectifs équilibre cinétique Régime doux Processus mous pt < 2- 3 GeV/c Régime dur Processus durs pt > 6- 8 GeV/c

Un milieu apparenté à un fluide parfait

Remonter au début par le flot y x py px Asymétrie spatiale Asymétrie dans l’espace des impulsions Interactions entre les constituants  gradient de pression : asymétrie initiale spatiale  impulsion Ollitrault PR D46(1992)229 / Sorge PRL B402(1997) 251 Émission des particules avec un angle défini par rapport au plan de réaction (décomposition en série de Fourier) : à y ~ 0, v1 disparaît et seul v2 demeure. – V2 – Donnera l’ampleur du flot – V2 – Donnera l’ampleur du flot Sera sensible aux 1ers instants (phase partonique)  Asymétrie initiale Sera sensible aux éventuelles interactions entre partons  Interactions entre constituants – V2 – Donnera l’ampleur du flot Sera sensible aux 1ers instants (phase partonique)  Asymétrie initiale Initialement, zone de recouvrement déformée dans l’espace (dist. des impulsions isotrope) Initiallement la distribution en impulsion est isotrope dans le plan transverse car leur production vient des interactions partoniques locales. Si ces particules s’échappaient librement, leur distribution resterait isotropique au cours du temps. Si le système interagit fortement, alors des gradients de pression sont créés anisotropiquement et induisent une asymétrie dans la distribution.

Un comportement hydrodynamique Flot important donc interactions importantes entre constituants Flot important donc interactions importantes entre constituants Limite hydrodynamique atteinte seulement à RHIC Thermalisation Remarque : e généralement obtenu à partir du modèle de Glauber qui décrit la collision en terme d’interactions nucléon-nucléon individuelles et de la géométrie. Préférable d’utiliser v2 intégré qui est indépendant du modèle et proportionnel à e. STAR, PRC66(2002)034904 Énergie de collision

Un comportement hydrodynamique Huovinen, PLB503(2001)58 Hydrodynamique avec viscosité nulle et des temps de thermalisation très courts ~ 0,6 fm/c Ressemble davantage à un fluide… le fluide le plus parfait jamais créé

Effets d’annonces

Un milieu constitué de quarks

Différence chez les hadrons PHENIX PRL91(2003)182301, STAR PRL92(2004)052302 Baryons (3q) Mésons (2q) Le sQGP Les degrés de liberté qui priment sont les quarks accréditant les modèles de coalescence de quarks : pT(B)=3pT(q), pT(M)=2pT(q) Un flot est créé au niveau partonique Des partons qui interagissent ! contrairement à la définition originelle

Différence chez les hadrons Au+Au à √sNN=200GeV 2- Dépendance au type de particules : Baryons/Mésons 1- suppression à haut pT: «jet quenching» Impulsion transverse pT Prédiction des modèles de coalescence de quarks pour expliquer l’hadronisation Degrés de liberté pertinents : les quarks

Coalescence des quarks Dépendance au type de particules reproduite par les modèles basés sur la recombinaison de quarks Greco, nucl-th/0405040 Fries PRC68(2003)044902

Convergence vers l’idée d’un sQGP, fluide parfait sQGP et avant ça …? Le condensat de verre de couleur

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  “ Condensat de verre de couleur ” Iancu, McLerran PLB510(2001)145 Cause également d’une suppression  une production de particules moindre en raison de la saturation des gluons INITIALE i.e. avant le QGP Région de prédilection pour son étude : système d–Au aux grandes rapidités Effet moindre des interactions dans l’état final, dominantes dans les collisions AA X bjorken = ( 2pT/√s <<1)

Les années RHIC – II En mode Ions Lourds : RHIC – II Montée en luminosité Nouvelles énergies Longs temps de faisceau RHIC – II Les conditions sont différentes qu’au LHC, offrant l’opportunité unique d’étudier le QGP sous deux angles

LHC : la quête ultime ?

Les ions lourds au LHC QGP @ LHC plus chaud, plus dense, plus long ... Systèmes en collision √sNN(TeV) L0 (cm-2s-1) Temps de fnt (s/an) sgeom (b) pp 14.0 1034 107 0.07 PbPb 5.5 1027 106 7.7 … Autres scénarios (ions plus légers, différents√sNN)… Systèmes en collision √sNN(TeV) L0 (cm-2s-1) Temps de fnt (s/an) sgeom (b) pp 14.0 1034 107 0.07 PbPb 5.5 1027 106 7.7 … Autres scénarios (ions plus légers, différents√sNN)… SPS RHIC LHC t0QGP (fm/c) 1 0.2 0.1 T/Tc 1.1 1.9 3-4 e (GeV/fm3) 3 5 15-60 tQGP (fm/c) ≤2 2-4 ≥10 Vf(fm3) few 103 few 104 few 105 ALICE(max) L = 1031 QGP @ LHC plus chaud, plus dense, plus long ... Pas la découverte du QGP mais l’étude de ses propriétés !

Pas seulement « plus »… … ce sera aussi : On peut s’attendre à : un nouveau régime ! Le « Big Bang à portée »  Densité nette baryonique = 0 On peut s’attendre à : le Physique molle : extrapolation des effets aux énergies moindres LA physique des sondes dures : Durs / TOT = 98% ! sNN= Kajantie, NPA751(2003)432 Propriétés du milieu fortement influencées par les processus durs Production de particules dominées par les processus durs Compétition des processus mous/durs aux pT intermédiaires Production abondante de processus durs

Jets au LHC 1 mois de fonctionnement La production de jets est élevée aux énergies auxquelles les jets peuvent être reconstruits au-dessus de l’énorme bruit de fond de l’underlying event Plus de 1 jet > 20 GeV par collision centrale (plus de 100 > 2 GeV!) Jusqu’à environ 200 GeV Offre la possibilité de mesurer la dépendance en énergie de la perte d’énergie induite par le milieu dense 1 mois de fonctionnement Pb-Pb, ET>Etmin, |h| < 0.5 ET > Njets 50 GeV 2.0  107 100 GeV 1.1  106 150 GeV 1.6  105 200 GeV 4.0  104

Jet-quenching au LHC Importance capitale au LHC (‘pas vraiment’ des jets à RHIC) Effets attendus importants : DE ~ 20 – 50 GeV Nécessité d’avoir des statistiques importantes 104 jets nécessaires pour étudier la fonction de fragmentation dans la région des z > 0.8 Nécessité d’avoir des études systématiques dépendances (DE en fonction de ET) S’adapter à l’environnement complexe des ions lourds au LHC : Système de déclenchement pour tirer le meilleur profit des taux de production élevés Utilisation d’un cône de taille réduite pour limiter la contribution en énergie importante apportée par le bruit de fond Une observable privilégiée : la sonde g – jet g

Quarkonia au LHC … On devrait enfin être en mesure de comprendre (?) Davantage de paires c_c Recombinaison dominante ? e accrue Suppression dominante ? PLB637 (2006)75 SPS RHIC LHC Suppression similaire à RHIC et SPS Désintégration des y’ et cc Fonte du J/y compensée par la recombinaison s(bb) seront importantes 20 à 30% de J/y venant de désintégration de B

Perspectives LHC et son programme ions lourds avec ALICE et CMS/ATLAS Le sQGP devient-il plus faible au LHC ? wQGP ? xQGP ? L’ « usine à CGC» : voit-on le xQGP au travers d’une distorsion par les CGC ? ALICE et son programme proton-proton : Fournir des données de référence pour comprendre les collisions d’ions lourds. Dans un nouveau domaine d’énergie, chaque signal en mode ions lourds devra être comparé à celui en mode p-p Pour la « pure » physique p-p au travers de ALICE avec son appareillage unique et compétitif; ALICE peut atteindre les « hauts » pt, jusqu’à ~ 100 GeV/c, assurant le recouvrement avec les autres expériences du LHC. Du point de vue théorique Développements QCD encore naissants mais prometteurs Développement de la communauté « ions lourds » en France ?