Habilitation à Diriger des Recherches, Université Blaise Pascal, 10 janvier 2008 Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Philippe Rosnet Laboratoire de Physique Corpusculaire (Université Blaise Pascal – CNRS/IN2P3)

} Activités de recherche depuis la thèse (1997) Jusqu’à 1999 : expérience ALEPH@LEP finalisation de la publication sur l’élément de matrice CKM : |Vub| participation au LEP Heavy Flavour Working Group pour établir une valeur moyenne LEP de |Vub| Entre 1998 et 2000 : expérience ATLAS@LHC étude du système de distribution des hautes tensions du calorimètre à tuiles (TileCal) d’ATLAS tests du système de refroidissement de l’électronique du TileCal Depuis 2000 : expérience ALICE@LHC Depuis 2001 : expérience PHENIX@RHIC Physique des ions lourds }

Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Pourquoi des collisions d’ions lourds ? Production des saveurs lourdes Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Expérience PHENIX au RHIC Conditions expérimentales Principaux résultats obtenus Étude du continuum physique dimuon Expérience ALICE au LHC Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons L’électronique frontale du système de déclenchement des muons Production des quarkonia dans le canal dimuon Conclusions et perspectives

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes QCD et liberté asymptotique L’interaction forte entre les quarks est décrite par la chromodynamique quantique (QCD), basée sur le groupe de symétrie SU(3)c : constante de couplage de la forme expérimentalement Nf = 6  s() décroit quand  augmente à basse énergie   QCD les quarks interagissent fortement : confinement à très haute énergie  >> QCD les quarks et les gluons interagissent peu : liberté asymptotique qa qb g PDG, Phys. Lett. B 592 (2004) nombre de couleurs Nc=3 nombre de saveurs

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Transition de phase de QCD Prédiction d’un diagramme de phase par QCD sur réseau : Karsch and Laermann, hep-lat/0305025 transition du premier ordre à grand potentiel chimique baryonique B existence d’un point critique transition de phase à faible potentiel chimique baryonique de type ‘cross-over’ Étude en laboratoire à l’aide des collisions d’ions lourds ultra-relativistes à B = 0

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Conditions dans les collisions d’ions lourds Densité d’énergie de la matière nucléaire créée dans une collision d’ions lourds ultra-relativistes : formule de Bjorken Machine SPS RHIC LHC Système Pb-Pb Au-Au sNN 17.2 GeV 200 GeV 5.5 TeV  12  28 Satz, J. Phys. G 32 (2006) R25 Les conditions de déconfinement semble être réunies dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes depuis les expériences CERN-SPS, mais avec de meilleurs conditions au BNL-RHIC et surtout à venir au CERN-LHC

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Mécanismes de production des saveurs lourdes Processus de production dans les collisions nucléon-nucléon : à l’ordre dominant (LO) annihilation quark-antiquark : qq  QQ fusion de gluons : gg  QQ avec une production dos-à-dos dans le plan transverse :    à l’ordre suivant (NLO) qq avec rayonnement de gluon gg avec excitation de saveur gg avec gluon ‘splitting’ avec des corrélations angulaires dans le plan transverse : 0     Fonctions de distribution partonique dans le proton : x  fparton(x,Q2)

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Hadrons lourds : HQ = D0, D, c, B0, B, b, … Sections efficaces différentielles de production des hadrons lourds : Fonctions de distri-bution partonique Section efficace différentielle du processus partonique Fonction de fragmentation des quarks lourds Cacciari et al., JHEP 07 (2004) 033 HERA-LHC workshop, hep-ph/0601164 Incertitudes théoriques dans les collisions p-p à s = 14 TeV Bon accord avec les colli-sions p-p au Tevatron (CDF) à s = 1.96 TeV Production de mésons beaux

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Quarkonia : J/, ’, , ’, ’’ Mode de production décrit par différentes approches pour la partie non perturbative de QCD liée à la neutralisation de la couleur : par gluon mou dans le Color Evaporation Model (CEM) : pas de polarisation par gluon dur dans le Color Octet Model (COM ou NRQCD) : quarkonia polarisés Berger et al., Int. J. Mod. Phys. A 20 (2005) 3735 Production de  dans les collisions p-p au Tevatron (D0) à s = 1.8 TeV Sections efficaces de production des quarkonia (intervalle de prédiction) : NQuarkonia < 1 % NQQ

Rapport fgA(x,Q2) / fgN(x,Q2) Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Effets nucléaires froids Effets d’état initial : Les nucléons qui interagissent dans les collisions noyau-noyau ne sont initialement pas libres  modification des fonctions de distribution partonique : shadowing Avant d’interagir inélastiquement, les partons subissent des diffusions multiples lors de la traversée du noyau  distorsion des spectres en pT : effet Cronin Effet d’état final : Le temps de formation des quarks lourds est très court : f  0.1 fm/c  les quarkonia peuvent donc interagir avec les nucléons en traversant le noyau : absorption nucléaire normale des quarkonia Eskola et al., Nucl. Phys. B 535 (1998)351 Rapport fgA(x,Q2) / fgN(x,Q2) pour un noyau de plomb anti-shadowing shadowing

Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Évolution dans un milieu déconfiné Perte d’énergie des quarks lourds : par diffusions multiples Q + (q,g)  Q + (q,g) par rayonnement de gluons Suppression des quarkonia par écrantage de couleur : Augmentation des quarkonia par hadronisation statistique : nombre de paires de quarks lourds produites dans les collisions les plus centrales Q(pT) Q(p’T) g tension de la corde de couleur masse effective des gluons dans le QGP  rayon d’écrantage rD = 1 / µ(T) A. Andronic et al., Phys. Lett. B 751 (2003) 36 J/

Le spectre en masse des dimuons est riche en informations physiques Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Intérêt des dimuons pour l’étude des saveurs lourdes Dilepton = sonde électromagnétique pas sensible au milieu nucléaire qu’il traverse renseigne directement sur le milieu dans lequel il est produit Production de dileptons dans les collisions p-p processus Drell-Yan : q + q  /Z  µ+ µ- désintégration des mésons vecteurs : (, , )  µ+ µ- désintégration semi-leptonique des hadrons lourds : c + c  (µ+ X) (µ- Y) b  c µ- µ+ quarkonia : (J/, ’, , ’, ’’)  µ+ µ- Production de dileptons thermiques dans un QGP mµµ dN/dmµµ Le spectre en masse des dimuons est riche en informations physiques beauté charme

Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Pourquoi des collisions d’ions lourds ? Production des saveurs lourdes Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Expérience PHENIX au RHIC Conditions expérimentales Principaux résultats obtenus Étude du continuum physique dimuon Expérience ALICE au LHC Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons L’électronique frontale du système de déclenchement des muons Production des quarkonia dans le canal dimuon Conclusions et perspectives

Expérience PHENIX au RHIC Le collisionneur RHIC RHIC : Relativistic Heavy Ion Collider situé au Brookhaven National Laboratory (près de New York) premier collisionneur d’ions lourds au monde 4 expériences initialement : BRAHMS (arrêtée en 2006)  identification des hadrons chargés sur un large domaine en rapidité PHENIX  le plus « complet » avec une spécialisation dans les sondes électromagnétiques PHOBOS (arrêtée en 2005)  couverture en rapidité la plus grande pour les particules chargées STAR  conçue pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés à mi-rapidité avec vertexing Type de faisceau Énergie maximale Polarisation nominale Luminosité p 250 GeV 70 % 1.41031 cm-2s-1 Au 100 GeV/N - 21026 cm-2s-1

Expérience PHENIX au RHIC Le détecteur PHENIX Collaboration de  550 scientifiques de 69 instituts (14 pays) Deux bras centraux ‘West’ et ‘East’ d’acceptance || < 0.35 et  = 90° pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés, des électrons et des photons Deux bras avant ‘South’ et ‘North’ d’acceptance 1.15 < ||  2.3 et  = 360° pour la reconstruction des muons Des détecteurs globaux (BB, ZDC) pour le déclenchement du système de détection, la localisation du point d’interaction et la détermination de la centralité de la collision

Expérience PHENIX au RHIC Caractéristiques globales Mesure des taux de production de particules chargées à différentes énergies : dNch/d|=0  650 à sNN = 200 GeV Extrapolation pour le LHC (sNN = 5.5 TeV) : dNch/dy|y=0 = 1400 – 3200 Suppression des hadrons à grande rapidité en accord avec l’approche du Color Glass Condensate (CGC) Estimation de la densité d’énergie initiale du système : 0  15 GeV/fm3 à 0  0.35 fm/c PHOBOS Collaboration, Nucl. Phys. A 757 (2005) 28

Expérience PHENIX au RHIC Effets collectifs Caractéristiques du système au freeze-out chimique par l’étude des rapports de production des particules : Flow elliptique (v2) = asymétrie de pression de la « boule de feu » même évolution de la fraction de v2 en fonction de la fraction de pT pour toutes les particules  développement au niveau partonique Résultats décrits par les modèles hydro- dynamiques incluant une EoS de type QGP avec un temps de thermalisation : th  0.6 – 1.0 fm/c STAR Collaboration, Phys. Rev. C 72 (2005) 014904

superposition incohérente de collisions p-p Expérience PHENIX au RHIC Sondes dures D. d’Enterria, J.Phys. G 34(2005) S53 collisions centrales Au-Au Suppression des hadrons de haut pT (pas pour les photons) quantifiée par le rapport de modification nucléaire :  perte d’énergie des partons dans un milieu de grande densité gluonique superposition incohérente de collisions p-p PHENIX Collaboratio, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 172301 Suppression similaire observée pour les e de saveurs lourdes : théoriquement dE/dx|Q < dE/dx|q corrections liées au rapport baryon/méson certaines pertes d’énergie pas/mal prises en compte correctement ?

Expérience PHENIX au RHIC Quarkonia Étude du rapport de modification nucléaire RAA du J/ : résultats au RHIC similaires à ceux du SPS suppression séquentielle de type écrantage de couleur ? intervention de l’hadronisation statistique ? suppression plus importante à grande rapidité : en contradiction avec les prédic-tions de l’écrantage de couleur Nécessité de mieux comprendre les effets nucléaires froids : shadowing / absorption nucléaire normale  collisions d-Au (Run-8)

Expérience PHENIX au RHIC Expérience PHENIX au RHIC Étude du continuum dimuon dans les collisions p-p [PHENIX-AN-488] Stratégie d’analyse [S. Gadrat, Thèse de Doctorat de l’UBP, 2005] : simulation des contributions avec Pythia : Drell-Yan, charme et beauté passage dans la simulation complète de PHENIX  spectre pDST détermination des différentes formes : fonctions de forme soustraction du bruit de fond : Nsgn = Ntot – Nbkg avec Nbkg = 2 N++ N-- ajustement des données expérimentales avec comme paramètres libres la normalisation des différentes contributions : Run-3&4

Expérience PHENIX au RHIC Expérience PHENIX au RHIC Fonction de réponse différentielle pour les dimuons Principe de la fonction de réponse différentielle en masse : pour chaque bin en masse du spectre Pythia [M-dM/2 ; M+dM/2] : N(M) détermination de la distri- bution gaussienne au niveau pDST : NM(m ; m,m) probabilité de reconstruction : Probabilité de reconstruction Résolution en mase J/  170 MeV/c2

Expérience PHENIX au RHIC Étude des incertitudes systématiques Sources de systématiques : instrumentales sur l’efficacité de reconstruction  analyse J/ sur les nombres d’événements rendus par l’ajustement technique de soustraction du bruit de fond  brut versus fitté mauvaise connaissance des fonctions de forme : PDF, mQ, …

donné par l’ajustement Expérience PHENIX au RHIC Sections efficaces totales Section efficace totale pour un process donné : Section efficace inélastique p-p Nombre d’events donné par l’ajustement Acceptance géométrique Rapport de branchement en dimuon Efficacité de reconstruction Nombre d’events Minimum Bias Intervalle de détection en pseudo-rapidité Résultats :

Simulations avec l’ancien framework Expérience PHENIX au RHIC Perspectives pour l’analyse du continuum dimuon Travail poursuivi par G. Roche et des collègues de BARC (Inde) : Analyse des données à plus haute statistique : Run-6 = 17  Run-3&4 simulations refaites avec le nouveau framework beauté non contrainte dans l’ajustement évaluation des efficacités pour obtenir les sections efficaces Comparaison des données à d’autres variables : pT Simulations avec l’ancien framework

Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Pourquoi des collisions d’ions lourds ? Production des saveurs lourdes Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Expérience PHENIX au RHIC Conditions expérimentales Principaux résultats obtenus Étude du continuum physique dimuon Expérience ALICE au LHC Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons L’électronique frontale du système de déclenchement des muons Production des quarkonia dans le canal dimuon Conclusions et perspectives

Expérience ALICE au LHC Le programme de physique du LHC LHC : Large Hadron Collider recherche du boson de Higgs, de la supersymétrie, de dimensions supplémentaires, …  ATLAS et CMS problématique de la violation de la symétrie CP dans le système des hadrons beaux  LHCb (ATLAS et CMS) étude de la QCD dans des conditions thermodynamiques extrêmes (QGP) ALICE (ATLAS et CMS)  Collisions Pb-Pb à sNN = 5.5 TeV collisions p-p à s = 14 TeV Complémentarité des expériences LHC pour la physique des saveurs lourdes

Expérience ALICE au LHC Le détecteur ALICE ALICE  1000 scientifiques de 80 instituts (30 pays) Détecteurs globaux à grand  : déclenchement centralité Spectromètre à muons -4    -2.4 tracking (1.1106 ch) : reconstruire les di-muons avec une résolution m = 100 MeV/c2 pour mµµ = 10 GeV/c2 trigger (21103 ch) : déclencher sur des muons à moins de 1 kHz pour le L0 Partie centrale ||  0.9 : hadrons électrons photons

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC Le système de déclenchement du spectromètre à muons Sélection des muons par leur déviation qui est fonction de leur pT à 16 m du point d’interaction = 72 RPC Collaboration entre : INFN-Torino LPC-Clermont Subatech-Nantes et DaQ

Expérience ALICE au LHC Les RPCs Chambres à plaques résistives ou Resistive Plate Chamber (RPC) : 2 plaques de bakélite de 2 mm d’épaisseur (  109  cm) gap de gaz de 2 mm (avec 50% d’humidité relative) : streamer = 51% Ar + 41% C2H2F4 + 7% iC4H10 + 1% SF6 avalanche = 89.7% C2H2F4 + 10% iC4H10 + 0.3% SF6 haute tension streamer  8 kV avalanche  10 kV 20992 strips de lecture plan (X,Z)  1, 2, 4 cm plan (Y,Z)  2, 4 cm CERN Courier, Vol. 47, Dec. 2007

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC La résolution spatiale des RPC [NIMA 490 (2002) 51] Étude de la résolution spatiale à l’aide de faisceaux tests du CERN-PS : en accord avec une loi uniforme w  w / 12 pour des strips de largeur w Probabilité de ‘‘déclenchement’’ d’un strip Comparaison des tailles de clusters avec un Monte-Carlo basé sur la probabilité de déclenchement : implémentation dans AliRoot xstr impact du muon sur la RPC Data MC

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC L’électronique du système de déclenchement des muons Récupérer les 20992 signaux dans une fenêtre < 25 ns Décisions fournie au Central Trigger Processor (CTP) : 800 ns après la collision

Principe du circuit intégré ADULT : A DUaL Threshold Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (1) [ALICE-EN-2003-020] RPC signal  10 mV Principe du circuit intégré ADULT : A DUaL Threshold  80 mV 10 types de cartes : Front-End Boards (FEB) : strips 1, 2, 4 cm en X et 2, 4 cm en Y 2 stations homothétiques 5 délais possibles pour des longueurs de câble différentes (entre 14 et 20 m)

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (2) [IEEE-TNS Vol. 52, August 2005] Banc de test pour la production : caractérisation des 3600 ASICs produits :  6% HS initialement  4% changés après câblage des FEBs mesure d’une douzaine de para-mètres par voie sur les 2800 FEBs produites ( 10% réparées)

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (3) Temps de réponse des voies Caractéristiques de la production initiale et de la production additionnelle ( 400 spares) : temps de réponse moyen plus court : réglable à l’aide du potentiomètre sur les FEBs largeur du signal de sortie plus petite : régla-ble par ajout d’un régulateur sur les FEBs amplitude du signal de sortie similaire dispersion temporelle entre les 8 voies d’un même ASIC identique Largeur du signal de sortie Dispersion temporelle Amplitude du signal de sortie

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (4) Mesure de la dispersion du timing de l’électronique après installation : utilisation du système de test FET pour injecter des signaux sur les FEBs relecture à travers la chaîne électronique complète : cartes Local + Regional + DARC variation de la phase d’horloge des signaux FET par pas de 1 ns test de 15/16  94% des Regional crates et avec quelques cartes FEBs manquantes 2 voies HS / 20992 : problèmes de câbles 94% Plateau de réglage d’environ 12 ns

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC Performances du système de déclenchement des muons (1) [ALICE-INT-2006-0002] [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] Étude de l’efficacité de déclenchement pour les quarkonia à l’aide de simulations complètes utilisant des paramétrisations : distributions en pT du Tevatron extrapolées au LHC à l’aide du CEM distributions en rapidité du CEM AJ/ = 5.8% et A = 4.9% J/ = 71% Rejet de 87% du Bkg Efficacités pour des muons qui touchent au moins 3 plans sur 4 : pour le J/ avec une coupure pTµ  1 GeV/c pour le  avec une coupure pTµ  2 GeV/c  = 88% Rejet de 96% du Bkg

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC Performances du système de déclenchement des muons (2) Simulation des principales sources de muons : pions et kaons : paramétrisation de Hijing avec dNch/d|=0 = 5800 saveurs lourdes : Pythia quarkonia : c, J/, ’… b, , ’, ’’… Conditions expérimentales : Lpp = 31030 cm-2s-1 avec pp = 70 mb à s = 14 TeV LArAr = 51028 cm-2s-1 avec ArAr = 2700 mb à sNN = 8.8 TeV LPbPb = 51026 cm-2s-1 avec PbPb = 7700 mb à sNN = 5.5 TeV pTµ  1 GeV/c pTµ  2 GeV/c b  bmax 330 Hz 65 Hz Le taux de déclenchement en dimuons de signe opposé pour des événements MB est inférieurs à 1 kHz fJ/  1 Hz pour pTµ  1 GeV/c f  10-2 Hz pour pTµ  2 GeV/c

Expérience ALICE au LHC Expérience ALICE au LHC Étude du spectre en masse dimuon dans les collisions Pb-Pb Spectre en masse dimuon attendu après 1 mois (106 s) de collisions Pb-Pb [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] : soustraction parfaite du bruit de fond non corrélé ajustement global du spectre des dimuons corrélés Grande statistique pour les hadrons beaux et le J/ Statistique permettant d’étudier la famille du 

Expérience ALICE au LHC Sensibilité des quarkonia au QGP À partir de la statistique attendue des quarkonia après 1 mois de collisions Pb-Pb : étude de la sensibilité à différents scénarii de QGP Suppression-1 : ‘quenched QCD’ = QGP de gluons avec Tc = 270 MeV Suppression-2 : ‘unquenched QCD’ = QGP de quarks et de gluons avec Tc = 190 MeV [ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2006) 1295] Incertitudes statistiques

Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Pourquoi des collisions d’ions lourds ? Production des saveurs lourdes Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Expérience PHENIX au RHIC Conditions expérimentales Principaux résultats obtenus Étude du continuum physique dimuon Expérience ALICE au LHC Le détecteurs ALICE et son spectromètre à muons L’électronique frontale du système de déclenchement des muons Production des quarkonia dans le canal dimuon Conclusions et perspectives

Conclusions et perspectives Bilan des expériences au RHIC depuis 2000 L’état initial semble saturé en gluons : Color Glass Condensate ? La densité d’énergie initiale 0  15 GeV/fm3 à 0  0.35 fm/c extrapolée à l’équilibre thermique th  0.8 fm/c par les modèles hydro- dynamiques donne : () = (0/)4/3 0  th  5 GeV/fm3 >> CNM soit Tth  200 MeV > Tc La suppression des hadrons de haut pT et le flow elliptique indiquent que le système initial se caractérise par ses degrés de liberté partoniques L’analyse des énergies à la température Tth indique que le système est fortement couplé : strongly interacting Quark-Gluon Plasma (sQGP) = fluide parfait (sans viscosité)

Conclusions et perspectives Questions en suspend après RHIC Nécessité de mieux comprendre les processus à petits x : physique du CGC Approfondir la compréhension du phénomène de perte d’énergie partonique dans un milieu déconfiné à l’aide de corrélations -jet Élucider la perte d’énergie des quark lourds : prédiction dE/dx|q > dE/dx|Q alors qu’expérimentalement RAAe  RAAhadrons Origine de la suppression des J/ dans les collisions Au-Au : shadowing, absorption nucléaire normale, écrantage de couleur, hadronisation statistique ? Existence d’un point critique dans le diagramme de phase de QCD ? … BNL-77334-2006-IR, http://www.bnl.gov/physics/rhicIIscience/ Améliorations de la luminosité du RHIC ainsi que des détecteurs PHENIX et STAR

Conclusions et perspectives Les perspectives au LHC Conditions thermodynamiques extrêmes : favorables à la production d’un QGP de grand volume et de grande durée de vie Étude combinée des différentes signatures de formation d’un QGP avec la même instrumentation : ALICE = STAR  PHENIX Production abondante de saveurs lourdes : possibilité d’une étude approfondie des états de la famille du  avec une bonne séparation des différents états à l’aide du spectromètre à muons de l’expérience ALICE Accès à de très petits x : étude détaillée de la physique du CGC … et tous les résultats inattendus [ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2004) 1517] 10-5

« I found my experience in the laboratory so traumatic that I concluded that theory is the easier part of physicists game ! » Pierre-Gilles de Gennes EurophysicsNews, July/August 2003, p.158