Mesure de la température du Plasma de Quarks et de Gluons Au RHIC avec lexpérience PHENIX 1.Plasma de Quarks et de Gluons 2.Smoking guns 3.Température.

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1 Mesure de la température du Plasma de Quarks et de Gluons Au RHIC avec lexpérience PHENIX 1.Plasma de Quarks et de Gluons 2.Smoking guns 3.Température Frédéric Fleuret - LLR1CSNSM

2 Plasma de Quarks et de Gluons Déconfinement Collisions dions lourds Centralité Frédéric Fleuret - LLR2CSNSM

3 Plasma de Quarks et de Gluons Le déconfinement – Prédiction : à une densité (température) suffisamment élevée, une transition de phase devrait apparaître. – QCD sur réseau : Frédéric Fleuret - LLR3 F. Karsch et al. hep/lat 0106019 T c ~ 170 MeV Gaz de pions N d.o.f = 3 PQG N d.o.f = 37 (2 saveurs) CSNSM

4 Plasma de Quarks et de Gluons Le diagramme de phase Frédéric Fleuret - LLR4 RX J185635-375 Effondrement détoile Grande densité de matière (5 à 10 fois la densité nucléaire standard) Matière confinée plasma haute temperature (10 12 K) 10 -6 s. : Plasma matière confinée Big Bang Cœur des étoiles à neutron CSNSM

5 Plasma de Quarks et de Gluons Expérimentalement : collisions dions lourds – Gros noyaux volume + thermalisation – Grande énergie densité critique Frédéric Fleuret - LLR5 t ~ 10 fm/c Collision dions T=0 MeV = 0.15 GeV/fm 3 Gaz de hadrons T ~ 140 MeV ~ 0.05 GeV/fm 3 Hadronisation T ~ 170 MeV ~ 1 GeV/fm3 P Q G T ~ 300 MeV ~ 5 GeV/fm 3 Phase de formation t~0.1 fm/c CSNSM

6 Plasma de Quarks et de Gluons Expérimentalement : collisions dions lourds Frédéric Fleuret - LLR6 BNL - AGS 4 GeV CERN - SPS 20 GeV BNL - RHIC 200 GeVCERN - LHC 5.5 TeV Expériences Cibles fixes Expériences collisionneurs CSNSM

7 Le RHIC CampagneEspècesÉnergie (GeV) Luminosité intégrée (Phenix) 2000/2001Au+Au130 1,0 b -1 2001/2002Au+Au p+p 200 24,0 b -1 0,15 pb -1 2002/2003 d+Au p+p 200 2,74 nb -1 0,35 pb -1 2003/2004 Au+Au 200 62 241 b -1 9 b -1 2004/2005 Cu+Cu p+p 200 62 22.5 200 3 nb -1 0,19 nb -1 2,70 b -1 3,80 pb -1 2005/2006 p+p 200 62 10,7 pb -1 0,1 pb -1 2006/2007 Au+Au200 810 b -1 2007/2008 d+Au p+p 200 80 nb -1 5,2 pb -1 2008/2009 p+p 200 500 8,6 pb -1 13 pb -1 2009/2010 Au+Au 200 62 39 7,7 1,3 nb -1 0,11 nb -1 40 b -1 0,26 b -1 Deux programmes de recherche Plasma de Quarks et de Gluons : ions lourds jusquà s = 200 GeV Structure en spin du nucléon : protons polarisés jusquà s = 500 GeV p+p la référence d+Au étude des effets froids (shadowing, saturation,…) Au+Au étude des effets chauds (QGP) 7 Frédéric Fleuret - LLR CSNSM

8 PHENIX & STAR PHENIX – Central rapidity |y|<0.35 Tracking (DC, PC) EM calorimeter TOF RICH – Muon spectrometers 1.2<|y|<2.2 – Measures everything 8 STAR – Large TPC – Silicon vertex tracker – EM calorimeter – Time of flight – Track ~2000 charged particles in | |<1 Frédéric Fleuret - LLR CSNSM

9 Centralité Principe – N part = nombre de nucléons participant – N coll = nombre de collisions nucléon-nucléon Frédéric Fleuret - LLR9 b Nombre de Collisions Participants Spectateurs 0400 0 1000 Au+Au N part N coll 2.8 ± 2.2 4.1 ± 2.5 14,5 ± 0,3 422 ± 65 181 ± 16 7,1 ± 0,5 1091 ± 102 353 ± 19 2,3 ± 0,9 N coll N part b (fm) centrality 0-5% 20-25% 90-95% Petit paramètre dimpact b Grand paramètre dimpact CSNSM

10 Centralité Mesure Frédéric Fleuret - LLR10 Beam Beam Counter (z=±1.5 m) Zero Degree Calorimeter (z=±20m) Cent.b (fm)N part N coll 0-5%2.3 ± 0.9 353 ± 19 1091 ± 102 20-25 % 7.1 ±0.5 181 ± 16 422 ± 65 90-95 % 14.5 ±0.3 4.1 ±2.5 2.8 ± 2.2 central Semi-central périphérique centralpériphérique CSNSM

11 Densité dénergie Frédéric Fleuret - LLR11 Phys. Rev. C71:034908 (2005) CSNSM

12 Smoking guns Au SPS : suppression du J/ Au RHIC : le liquide parfait Frédéric Fleuret - LLR12CSNSM

13 Au SPS : suppression du J/ Frédéric Fleuret - LLR13 Press release 10 février 2000 Smoking guns CSNSM

14 Suppression du J/ au RHIC Frédéric Fleuret - LLR14 Suppression similaire à même rapidité Interprétation difficile encore aujourdhui. Plusieurs possibilités : - Recombinaison - Suppression séquentielle - Contribution des effets froids Intérêt de mesurer les quarkonia au LHC Rapport de modification nucléaire si pas deffets nucléaires, R AA = 1 Smoking guns CSNSM

15 Au RHIC : le liquide parfait – Jet quenching (opacité) – Flot elliptique (collectivité) Frédéric Fleuret - LLR15 Press release 18 avril 2005 Smoking guns CSNSM

16 Au RHIC : jet quenching Frédéric Fleuret - LLR16 medium-induced radiation (Phys.Rev.Lett.91:072304,2003) 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 = (trig) – (assoc) Au+Au p T trig > 4 GeV/c 0.2 GeV/c <p T assoc < p T trig 3. Où va lénergie ? 1. Perte dénergie dans le milieu 2. Corrélations angulaires Smoking guns CSNSM

17 Smoking guns Au RHIC : jet quenching Frédéric Fleuret - LLR17 Très forte suppression Milieu très opaque plus opaque quun gaz un liquide p + p 0 Central Au + Au 0 Rapport de modification nucléaire Pas deffets nucléaires R AA = 1 CSNSM

18 Smoking guns Au RHIC : flot elliptique Frédéric Fleuret - LLR18 x y z Dans un milieu fortement interagissant (thermalisé) Anisotropie spatiale anisotropie impulsionnelle (gradient de pression plus important dans le plan de réaction) pxpx pypy y x V2>0 flot dans le plan de réaction V2<0 flot hors du plan de réaction Phys. Rev. Lett. 98, 162301 (2007) CSNSM

19 Smoking guns Au RHIC : flot elliptique Frédéric Fleuret - LLR19 Phys. Rev. Lett. 98, 162301 (2007) V 2 des hadronsV 2 des quarks de valence Phys. Rev. Lett. 98, 162301 (2007) mouvement collectif Comportement universel des partons CSNSM v 2 v 2 /n q p T p T /n q KE T KE T /n q n q = nombre de quarks de valence Comportement similaire des hadrons

20 Résumé Au SPS : Au RHIC : Au RHIC : température ? Frédéric Fleuret - LLR20 Données reproduites par modèles hydrodynamiques (zéro viscosité) + cascade hadronique CSNSM

21 Température Mesure des photons thermiques Mesure des photons virtuels Frédéric Fleuret - LLR21CSNSM

22 Température Perfect liquid hot enough to be quark soup Frédéric Fleuret - LLR22 Hydro fits T ini ~ 300 – 600 MeV (k B ~ 8.6 10 -5 eV K -1 ) T ~ 4 – 8 10 12 K 170 MeV Perfect liquid 300 MeV600 MeV free Gas ? (Phys.Rev.Lett.104:132301,2010) Press release Février 2010 CSNSM

23 Température Comment mesurer la température ? – En mesurant les photons Émission de radiation thermique La température peut être mesurée avec les spectres démission Frédéric Fleuret - LLR23 time hard parton scattering Au Hadron Gas freeze-out quark-gluon plasma Space Time expansion pK Hard parton scattering High pT photons (> 6 GeV) QGP photons Low pT photons (1 – 3 GeV) Hadron gas photons Very low pT photons (<2 GeV) Mesurer les photons En p+p : obtenir la référence En d+Au : effets froids En Au+Au : obtenir la température CSNSM

24 Mesurer les photons High p T photons (p T >6 GeV) : non thermal – Initial parton-parton scattering: as in p+p – not affected by Hot and Dense Matter test the theoretical description of A+A collisions with pQCD Low p T photons (p T < 3 GeV) : thermal – Come from the thermalized medium – Carry information about the initial temperature of the Quark Gluon Plasma – Thermal photons are created in the QGP as well as in the hadron gas over the entire lifetime of these phases test hydro models Low and intermediate p T (up to 6 GeV) – Interaction of the quarks and gluons from the hard scattering processes with the QGP – q hard + g QGP q + g – g get a large fraction of the momentum of q hard Frédéric Fleuret - LLR24 Dans les collisions A+A CSNSM

25 Collisions p+p – Direct photons Compton scattering – q + g q + qq annihilation – q + q g + Bremsstrahlung (intial state) – Fragmentation photons Brem. From final state partons – Final state hadron decay (background) 0,, K 0,… + Frédéric Fleuret - LLR25 PRL98, 012002 (2007) Measured p+p yield compatible with NLO pQCD calculations p+p 200 GeV Photons directs : la référence CSNSM

26 La mesure Frédéric Fleuret - LLR26 thermal direct photons are measured as « excess » above hadron decay photons From Monte Carlo : take a parametrization of measured 0 as input and propagate the particles through detectors background photons = remaining photons (from 0 ) after all cuts background photons 0 from MC Direct photons candidates : obtained after rejecting photons pairs falling within 110<M <170 MeV/c² ( 0 ) and 500<M <620 Mev/c² ( ) Direct photons candidates (from data) 0 from data Difficult to measure below p T <3 GeV/c (the yield of thermal photons is only 1/10 of that of hadron decay photons) Les photons thermiques CSNSM

27 Mesure alternative Les photons virtuels « quasi réels » Frédéric Fleuret - LLR27 e+e+ e-e- les sources de photons réels devraient aussi pouvoir émettre des photons virtuels à m 0, la production des photons virtuels est la même que celle des photons réels la production des photons réels peut être mésurée à partir des photons virtuels qui sont observés à basse masse en e + e - le BdF provenant des désintégrations de hadrons peut être fortement réduit. meilleure résolution en énergie, identification, … CSNSM

28 Mesure alternative Les photons virtuels « quasi réels » Frédéric Fleuret - LLR28 e+e+ e-e- Source of real photon should also be able to emit virtual photon LMR I (Low Mass Region I) (M ee /p T 0) p T ee >> M ee « quasi real » photons (See arXiv : 0912.0244 (appendix B) for more details) J/ DD S(m ee,p T ) = dN * (m ee )/dN S = process (direct, 0,, …)dependent factor Hadron dalitz decay : S h (m ee )=0 for m ee >m h Direct photon : S (m ee ) 1 when m ee /p T 0 (m ee <<p T ) CSNSM

29 Mesure des « quasi réels » Mesurer les paires délectrons Frédéric Fleuret - LLR29 r = fraction of direct photons = direct/inclusive Remove (dalitz) 0 e + e - M ee > 135 MeV/c² Look at 100<M ee <300 MeV Several p T bins f tot =(1-r) f c (M ee ) + r f dir (M ee ) f dir (M ee ) = expected shape from direct photon spectrum normalized to the data for mee<30 MeV/c² f c (M ee ) = cocktail mass distribution normalized to mee<30 MeV/c² Cocktail (Note : for m ee <30 MeV/c² S ° =S ~1 identical shape for f dir and f c ) CSNSM

30 Mesure des « quasi réels » Comparaison Au+Au et d+Au Frédéric Fleuret - LLR30 Fraction de photons directs : -r AuAu = 0.189 ±0.0213 -r dAu = 0.0247±0.0046 Au+Aud+Au r AuAu ~ 10 x r dAu CSNSM

31 Fraction de photons directs En fonction de p T Frédéric Fleuret - LLR31 Several pT bins: 1.0 < p T < 1.5 GeV/c 1.5 < p T < 2.0 GeV/c 2.0 < p T < 2.5 GeV/c 2.5 < p T < 3.0 GeV/c 3.0 < p T < 4.0 GeV/c 4.0 < p T < 5.0 GeV/c p+p consistent with NLO pQCD d+Au : small excess above NLO pQCD Au+Au : large excess above NLO pQCD NLO pQCD calculations ×T AuAu T AA = glauber nuclear overlap function NLO pQCD calculations ×T dAu p+pd+AuAu+Au CSNSM

32 Spectre des photons directs Détermination du spectre Frédéric Fleuret - LLR32 Fraction de photons directs Measured e+e- yield for m ee < 30 MeV/c² Photon yield from normalized cocktail for m ee < 30 MeV/c² Normalized cocktail e+e- yield For m ee < 30 MeV/c² to take S (the process dependent factor) into account CSNSM

33 Spectre des photons directs Comparaisons p+p, d+Au, Au+Au Frédéric Fleuret - LLR33 p+p : compatible with NLO pQCD calculation d+Au : Hint of an enhancement, probably due to a nuclear effect Au+Au : excess at low p T thermal photons Au+Aud+Aup+p CSNSM

34 Spectre des photons directs Détermination de la température Frédéric Fleuret - LLR34 Direct (real) photons in p+p Phys. Rev. Lett. 98, 012002 (2007) NLO pQCD calculations Modified Power Law Fit on p+p MPL Fit on p+p × T AA Au+Au Min bias central mid Exponential + MPLF on p+p × T AA p+p Fit = exponential + (MPLF×T AA ) = + (MPLF×T AA ) T = 221 ±19±19 MeV (arXiv:0804.4168) Direct (real) photons in Au+Au Phys. Rev. Lett. 94, 232301 (2005) CentdN/dy (pT>1GeV) Slope (MeV) 0-20%1.50±0.23±0.35221±19±19 20-40%0.65±0.08±0.15217±18±16 MinBias0.49±0.05±0.11233±14±19 Phys. Rev. Lett. 104, 132301 (2010) CSNSM

35 Températures Modèles hydrodynamiques Frédéric Fleuret - LLR35 From hydro models 300 MeV< T ini < 600 MeV 0.17 fm < 0 < 0.6 T C from Lattice QCD ~ 170 MeV T AuAu (fit) ~ 220 MeV 170 MeV Perfect liquid 300 MeV600 MeV CSNSM

36 Conclusion Au RHIC – Résultats : liquide parfait Jet quenching opacité Flot elliptique collectivité Température 300 à 600 MeV – Futur (à partir de 2011) Installation dun détecteur de vertex Accès à la physique des saveurs lourdes (open charm, open beauty) Au LHC – Pb+Pb à 5,5 TeV CSNSMFrédéric Fleuret - LLR36