Transitions de phase de la matière nucléaire Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire Formation et étude de la matière nucléaire déconfinée 21/11/2002 YS

Transitions de phase de la matière nucléaire q q Transitions de phase de la matière nucléaire Au-delà d’environ 31012 K, QCD, la théorie qui décrit les particules en interaction forte, prédit que la matière nucléaire subit une transition de phase pour former un plasma des constituants élémentaires de la matière … Thermodynamique de la matière nucléaire Les collisions d’ions lourds aux énergies ultra relativistes Du SPS au RHIC, en attendant le LHC 21/11/2002 YS

Thermodynamique de la matière nucléaire Dépendance des propriétés de la matière avec (T,P), étudiée comme une conséquence de la structure en quarks de la matière: Comment les phénomènes collectifs et les propriétés macroscopiques de systèmes mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté découlent des lois microscopiques de la physique des particules. Tester l’interaction forte à l’échelle QCD (déconfinement et symétrie chirale) T  LQCD  200 MeV (e > GeV/fm3)  quarks (masse libre) interaction forte 21/11/2002 YS

Thermodynamique de la matière nucléaire Diagramme des phases en fonction de paramètres de contrôle (conditions externes)  (Tc, Pc): transition de phase du 1er ordre (discontinuité dans S, V) = (Tc, Pc): transition de phase du 2eme ordre (discontinuité dans Cp, T)  (Tc, Pc): changement de phase crossover (les variables thermodynamiques varient rapidement) H2O pression point critique liquide glace point triple vapeur température 21/11/2002 YS

Diagramme de phase de la matière nucléaire Paramètres de contrôle: Température (T[MeV]) ou densité d’énergie (e[MeV/fm3]) Densité baryonique (r[baryons/fm3]) ou potentiel chimique baryonique (mB[MeV]) (T,V,m) = E-TS-mB : augmentation de l’énergie quand B B+1 rB (T,m) = B/V : densité baryonique (équation d’état) 21/11/2002 YS

Diagramme de phase de la matière nucléaire Energy density (MeV/fm3) 21/11/2002 YS

QCD à haute température MS prédit l’occurrence de transitions de phase comme une conséquence de la brisure de symétries fondamentales de la nature (origine de la masse) et … QCD sur réseau calcul qu’à Tc > 200 MeV, la matière est déconfinée et … La symétrie chirale est approximativement restaurée : les quarks retrouvent leur petite masse 21/11/2002 YS

QCD sur réseau : formation du plasma Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres mu= md = ms mu = md mu = md ; ms  mu,d Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T) Augmentation brutale de e à Tc  170 MeV (ec  700 MeV/fm3). Plateau à e  80% limite SB. Comportement indépendant de NF et mq ; ms  Tc. 21/11/2002 YS

QCD sur réseau : gaz parfait m=0 Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres mu= md = ms mu = md mu = md ; ms  mu,d Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T) T  3Tc pression très en-dessous limite SB, interaction forte entre q, q et g persite dans le plasma. T  Tc (LHC) gaz parfait de quantas QCD (as  0). 21/11/2002 YS

QCD sur réseau : symétrie chirale   0LR + RL0  0 Nombre de paires qq dans le vide QCD L  exp(-fq/T) ; fq énergie libre T  Tc symétrie chirale brisée; énergie d’une source de couleur isolée diverge (confinement). T  Tc symétrie chirale restaurée; couleur déconfinée dans le plasma. 21/11/2002 YS

Diagramme de phase : état des lieux Ordre de la transition: mB= 0 : crossover (mu,d  0   0) mB  0 : 1er ordre Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons 21/11/2002 YS

Matière nucléaire à haute température De la matière à T = O(1012 K) Univers primordial (matière relativiste) : R  T-1  t1/2 La matière existait sous forme de QGP à t=10-5-10-4 s après le Big Bang. Transition de phase s’accompagne de la formation de bulles hadroniques  abondance relative des éléments légers à t10 minutes. Collisions Ions Lourds 21/11/2002 YS

Matière nucléaire à haute température De la matière à T = O(1012 K) Collisions d’ions lourds à des énergies relativistes LHC (2007) 5500 GeV RHIC (2000) 200 GeV SPS (1990) 18 GeV AGS (1980) 2 GeV 21/11/2002 YS

L’ère des collisionneurs Plus chaud et B  0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) , Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets, g, Q, Z, W Un nouveau domaine en x (QSA1/3/xd, CGC) <0.2 ~0.5 ~1 t0 (fm/c) 4-10 1.5-4.0 <1 tQGP (fm/c) 2x104 7x103 103 Vf(fm3) 15-40 3.5 2.5 e (GeV/fm3) 3-8 x103 650 500 dNch/dy 5500 200 17 s1/2(GeV) LHC RHIC SPS Central collisions ALICE 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Exploration dynamique du diagramme de phase Gel des collisions à Tf; rB  0 à y1 y rB -1 +1 Hadronization par création qq  rB= 0 à y=0 Thermalisation des partons libérés pz  pT Libération de partons dans collisions inélastiques NN Noyaux aplatis par la contraction de Lorentz 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Densité d’énergie e (t=t2-z2) = 1/tA dET/dh h=0= SPS 3.2 GeV/fm3 De la matière est formée au-delà des conditions critiques dET/dh h sNN=18 GeV 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Densité d’énergie e (t=t2-z2) = 1/tA dET/dh h=0= RHIC 5+ GeV/fm3 De la matière est formée au-delà des conditions critiques sNN=130 GeV 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Densité baryonnique sNN=18 GeV Rapidité drB/dy Densité baryonnique nette en forte diminution 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Densité baryonnique L’état final n’est pas exclusivement issu de la désexcitation du QGP 21/11/2002 YS

Evolution spatio-temporelle de la collision K f Gel thermique t  100 fm/c Tf 100 MeV L m QGP t  0.5 fm/c g e jet Pre-équilibre Temps g e Hadronisation t  5 fm/c Gel chimique; Tc 170 MeV  Expansion  espace Au 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Équilibre thermique Les conditions thermodynamiques sont déterminées à partir des hadrons émis au moment du gel thermique Boltzmann: dN/dmt exp(-mt/T) 21/11/2002 YS

Collisions d’ions lourds Équilibre chimique Température et écoulement collectif Les hadrons sont formés en équilibre chimique ! 21/11/2002 YS

Diagnostiquer l ’état de la matière (1) Les sondes molles : production thermique de hadrons Multiplicité Spectre Corrélations à 2 particules (HBT) Composition chimique de l ’état final : distillation de S Écoulement collectif des particules 99.5% 21/11/2002 YS

Les défis Techniques :  détecteurs + déclenchement + analyse Identifier les traces de 700 (8000 au LHC) particules par unité de rapidité Les sondes intéressantes sont rares (production, mode de décroissance) Physiques :  théorie + phénoménologie Des effets purement hadroniques peuvent être confondus avec des effets dus au QGP Les effets nucléaires modifiant l’état initial et final doivent être connus : e+e-  pp  pA  AA1,2 21/11/2002 YS

Au+Au à sNN = 130 GeV Collision périphérique 21/11/2002 YS

Au+Au à sNN = 130 GeV Collision semi-centrale 21/11/2002 YS

Au+Au à sNN = 130 GeV Collision centrale 21/11/2002 YS

Pb+Pb à sNN = 5.5 TeV 21/11/2002 YS

Multiplicité des hadrons dans l’état final AA=Spp + O(milieu) dNch/dh ~ 2500 pph plus efficace dans le milieu que dans le vide Q2S = N/R2A Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000) 21/11/2002 YS

Écoulement collectif : dynamique initiale x z y y hadron f x Mesure: réponse du système à la pression initiale capacité du système à transformer anisotropie spatiale en anisotropie en moment 21/11/2002 YS

Écoulement elliptique anisotropie spatiale  anisotropie des moments temps saturation de la limite hydrodynamique observée Thermalisation achevée à T > Tc, La pression responsable de l’expansion est générée par un QGP thermalisé Mesure de EOS du QGP, p/e 21/11/2002 YS

Distillation d’étrangeté Contenu en étrangeté Rapports B/B STAR preliminary gg  ss SB ms  0 Blocage de Pauli u,d 21/11/2002 YS

Diagnostiquer l ’état de la matière (2) Les sondes pénétrantes Produites dans la phase thermalisée et sans interaction forte dans l’état final: Photons réelles Photons virtuels q q e- e+ g p r r* g* photons low mass dileptons QGP : hadron gas : thermomètre modification des mésons par milieu r, J/l+l- 21/11/2002 YS

Photons directs au SPS : thermomètre Difficile, mais signal important attendu à RHIC et au LHC ... au-delà d‘une superposition de collisions pp + production thermique (QGP+HG) T = 200-335 MeV + effets nucléaires dans l‘état initial 21/11/2002 YS

Dissolution du méson r Modification de la fonction spectrale du méson r par le milieu : effet dynamique restauration partielle S 21/11/2002 YS

Dissociation du cc c Écrantage de couleur gg  cc Suppression normale Suppression(s) anormale(s) J/+-/Drell-Yan gg  cc lors de la thermalisation Drell-Yann est la référence Énergie transverse (GeV) 21/11/2002 YS

Dissociation du cc et bb thermomètre Les états des quarkonia sont dissous à différentes températures 21/11/2002 YS

… mais beaucoup de cc (100) dans NN indépendants, D+D  J/ +X B  J/ effets nucléaires (shadowing, quenching) Augmentation ou Suppression du J/ ? 21/11/2002 YS

Diagnostiquer l ’état de la matière (3) Les sondes dures : diffusion élastique q et g à grand Q2 Diffusion de q,g à grand pt dans phase initiale Atténuation ( dE/dx) lors du passage dans la matière 21/11/2002 YS

Jet event in e+e- collision Observation des jets Jet event in e+e- collision STAR Au+Au (jet?) event 21/11/2002 YS

Observation des jets corrélation entre hadrons de grand pt 21/11/2002 YS

Perte d’énergie des q,g dans le milieu hadrons Particule dominate Particule dominante Observables : perte d’énergie des particules dominantes désalignement des jets opposés 21/11/2002 YS

Perte d’énergie des particules dominantes Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification Dzmilieu pT ou xT ? 21/11/2002 YS

Perte d’énergie des particules dominantes SPS RAA  1 : effet nucléaire dans l’état final (effet Cronin) 21/11/2002 YS

Désalignement des jets opposés Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ? 21/11/2002 YS

Hadrons de fragmentation Jets au LHC 30-50 GeV 50-80 GeV pT > 2 GeV/c 80-120 GeV 120-170 GeV Hadrons de fragmentation 170-230 GeV 230-330 GeV Fond sous-jacent 330-440 GeV 440-600 GeV 21/11/2002 YS

Grand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique jet g Collision axis Jets au LHC Grand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique 21/11/2002 YS

Le QGP en bref Des calculs LQCD de plus en plus réalistes et précis prédisent une changement de phase vers de la matière déconfinée et la restauration de la symétrie chirale à T=17315 et e = 0.7 GeV/fm3 Les données collectées dans les collisions d’ions lourds indiquent : Au SPS les conditions critiques sont atteintes et certaines signatures sont compatibles avec la formation d’un QGP: Suppression du J/ (écrantage de couleur) Dissolution du méson r (restauration symétrie chirale) L’émission de photons thermiques (rayonnement du QGP) La distillation d’étrangeté (hadronisation par production de paires) 21/11/2002 YS

Le QGP en bref Le futur au LHC apparaît excitant, même si lointain Au RHIC ces observations sont confirmées et plus de précisions sont apportées : La matière est en équilibre chimique et thermique au-delà de Tc Il persiste une composante baryonique à mi-rapidité La production de jets est observée (détectable) …et permet de diagnostiquer la nature du milieu chaud (tomographie) Plus à venir : quarkonia, photons directs, quarks lourds Le futur au LHC apparaît excitant, même si lointain Un plasma plus chaud, plus longtemps Formation d’un gaz parfait de quanta QCD Production de hadrons dominés par la fragmentation de jets Un domaine inexploré à petit x (saturation, QCD classique, CGC) 21/11/2002 YS

L’ère des collisionneurs Plus chaud et B  0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) , Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets, g, Q, Z, W Un nouveau domaine en x (QSA1/3/xd, CGC) <0.2 ~0.5 ~1 t0 (fm/c) 4-10 1.5-4.0 <1 tQGP (fm/c) 2x104 7x103 103 Vf(fm3) 15-40 3.5 2.5 e (GeV/fm3) 3-8 x103 650 500 dNch/dy 5500 200 17 s1/2(GeV) LHC RHIC SPS Central collisions ALICE 21/11/2002 YS

??? at RHIC at SPS Expansion velocity  s ~ 0.8 at SPS ~ 0.5 c at SPS  s ~ 1 at RHIC mB ~ 250 at SPS mB ~ 50 at RHIC jets 21/11/2002 YS