Création d’une matière atypique à RHIC

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

christelle roy - autrans, juin temps  s NN GeV États et régions du domaine nucléaire

christelle roy - autrans, juin 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.”

christelle roy - autrans, juin 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

christelle roy - autrans, juin 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

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

christelle roy - autrans, juin 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

christelle roy - autrans, juin 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

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

christelle roy - autrans, juin ~ 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  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

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

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

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

christelle roy - autrans, juin 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

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

christelle roy - autrans, juin 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)

christelle roy - autrans, juin 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)

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

christelle roy - autrans, juin Émergence de degrés de liberté pertinents PHENIX PRL91(2003)182301/ STAR PRL92(2004) 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

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV

christelle roy - autrans, juin 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) KKP FF Kretzer FF

christelle roy - autrans, juin 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

christelle roy - autrans, juin 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

christelle roy - autrans, juin  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) 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

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

christelle roy - autrans, juin 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

christelle roy - autrans, juin 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/ 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

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 à  s NN = 200 GeV

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 à  s NN = 200 GeV sQGP pour strongly interacting QGP

christelle roy - autrans, juin 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.