6-7 juin 2005 ALICE teste la QCD Physique des ions lourds au LHC.

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1 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD1 ALICE teste la QCD Physique des ions lourds au LHC

2 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD2 Les ions lourds au LHC SPSRHICLHC √s NN (GeV)17200  0 QGP (fm/c) 10.2 T/T c 1.11.9  (GeV/fm 3 ) 35  QGP (fm/c) ≤22-4 5500X 28 0.1plus tôt 3.0-4.2plus chaud 15-60plus dense >10plus long Le plus important saut en énergie dans l’histoire de la physique des ions lourds… …pour étudier en détail la phase partonique (QCD) de la matière à l’aide de sondes dures (pQCD) abondamment produites

3 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD3 Formation du vrai vide de QCD Un gaz de gluons et de quarks (3 saveurs) interagissant faiblement où la symétrie Chirale est restaurée m u = m d = m s m u = m d m u = m d ; m s  m u,d QL atténués exp(-m c,b,t /T)  s (T)=4  /(18log(5T/Tc)) RHIC SPS LHC Pas encore un gaz parfait

4 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD4 Quel état de la matière et quelles observables QGP, sQGP, wQGP, bsQGP, CGC,… ? Les signatures de la transition de phase ?

5 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD5 De la théorie à l’expérience Modèle(s)

6 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD6 De la théorie à l’expérience Modèle(s)

7 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD7 SPS: ”Un nouvel état de la matière créé au CERN” (10 Feb. 2000) 7 expériences spécialisées (NAxx, WAyy) Des faits en faveur de l’existence d’un nouvel état de la matière (   3.2 GeV/fm 3 ] >  c, augmentation de S, suppression de J/ψ, rayonnement thermique photon, masse du ,…) Signes précurseurs mais formation du QGP ambiguë Pb+Pb √s NN = 17.3 GeV NA 49

8 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD8 RHIC: “The discovery of the QGP at RHIC” (M. Gyulassy QM 2004) 4 expériences généralistes (BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR) Preuves empiriques: Densité d’énergie (5 GeV/fm 3 ) bien au-delà de la densité critique Ecoulement elliptique: comportement collectif des partons Suppression de jets: absorption des partons dans un milieu coloré opaque Confirmé par l’absence de signatures dans dA Interprétation en termes de sQGP et CGC Au+Au √s NN = 200 GeV STAR

9 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD9 LHC: la plus proche approximation du Big Bang ALICE: une seule expérience ions lourds généralistes En 04/2007, premières collisions pp à 14 TeV, … et peu après les premières collisions PbPb à √s NN = 5.5 TeV. “Il est dangereux de faire des prédictions, surtout si elles concernent le futur"

10 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD10 QCD dans un nouveau régime cinématique x<<1 Détermine les propriétés du milieu (Q S =0.2A 1/6 √s  = 2.7 GeV) Le QGP au LHC est formé à partir d’un “Color Glass Condensate” (champ fort, couplage faible: dynamique classique) J/ψ ALICE PPR CERN/LHCC 2003-049² 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 x 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 Q 2 (GeV 2 ) 100 GeV

11 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD11 pQCD en action: un nouveau régime cinématique Q >> 1 Détermine la sonde du milieu Q >>  QCD, T ( ,  r ~1/Q)

12 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD12 Collision crée matière et sondes Production de particules dominée par processus durs Quarks lourds et sondes pénétrantes deviennent accessibles Produits à t=0 → phase intiale de la collision (QGP) Virualité importante → temps de formation court Sonde et matière sondée découplée pQCD applicable → prédictions LHC:  hard /  total = 98% (50% à RHIC)

13 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD13 Dynamique du processus de hadronisation : dans le vide Le milieu modifie la dynamique observée dans le vide Les modifications sont transmises dans l’état final ETET état hadronique final L hadr ~ E T /Q 2 hadr

14 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD14 Dynamique des partons dans le milieu L hadr ~ E T /Q 2 hadr  L therm ~ √(E T /q ) ^ état hadronique final ETET

15 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD15 Dynamique des partons dans le milieu La quantité d’énergie rayonnée (  ) dépend des propriétés (densité de couleurs) du milieu (coefficient de transport q ) La compétition entre thermalisation (  =E) et hadronisation dépend de l’énergie du parton. L hadr ~ E T /Q 2 hadr  L therm ~ √(E T /q ) ^ ^ état hadronique final ETET

16 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD16 Thermalisation dans le milieu L therm < L hadr < L medium Le parton est thermalisé dans le bain thermique Les propriétés globales du milieu sont déduites à partir des hadrons de bas p h t ( ≤ 2 GeV/c) hadrons, leptons, photons  ~ E T Conditions expérimentales: seuil à bas p t ETET

17 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD17 Propriétés (thermo)dynamiques du milieu Extrapolation monotone à partir des résultats de RHIC mais différences dans: Dynamique d’expansion (écoulement elliptique, volume transverse, fluctuations evt par evt, …) La phase de gel (température, charme, …) Photons thermiques 150

18 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD18 Modification du processus de hadronisation L therm ~ L hadr ~ L medium Le milieu, paramètre de contrôle pour modifier le processus d’hadronisation p h t ~2-7 GeV/c L hadr ~ E T /Q 2 hadr ETET état hadronique final EE L therm ~ √(E T /q ) ^

19 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD19 Dynamique du processus de hadronisation hadrons blanchis parton coloré Quark habillé ou Corde de couleur ou diquark ou... Recombinaison Fragmentation Habillage du Diquark pQCD: Quark habillé ou Corde de couleur ou diquark ou...

20 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD20 RHIC: fragmentation modifiée Condition expérimentale: PID jusqu’à ~ 10 GeV/c p/  P t [GeV/c]

21 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD21 Effets de milieu dans l’état final L therm > L hadr > L medium Le parton perd de l’énergie additionnelle energy ( qL 2 ) Multiplicité et énergie transverse de la gerbe hadronique augmentent ( qL ) Hadron dominant EE L therm ~ √(E T /q ) ^ ^ ^ xE T ETET état hadronique final

22 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD22 Hadron dominant (qL 2 ) … Mais l’émission de surface limite la sensibilité aux propriétés du milieu Eskola, Honkanen, Salgado, Wiedemann Nucl Phys A, hep-ph/0406319 Condition expérimentale: grand p t ^ q=5 GeV 2 /fm ^ q=10 GeV 2 /fm ^

23 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD23 Dépendance g, q, Q Condition expérimentale: grand p t electrons, vertex ArmestoArmesto, Dainese, Salgado, Wiedemann hep-ph/0501225 Dainese SalgadoWiedemann

24 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD24 Reconstruction de jet (qL ) Au LHC, les jets pourront être reconstruits dans l’environnement IL La structure du jet est plus sensible aux effets de milieu ^

25 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD25 Excitation du jet Énergie totale du jet peu sensible, augmentation de k t Fragmentation longitudinale et transverse: étiquetage  (Z) Salgado, Wiedemann, hep-ph/0310079. k t

26 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD26 Etiquetage  des jets Pb+Pb 40GeV →  -jet R=0.3; p t > 2 GeV/c E jet /E  z T =p T /E  R AA Condition experimentale: calorimétrie, hadrons bas z t,  grand p t

27 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD27 1+2 experiments at the LHC ATLAS CMS ALICE

28 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD28 ALICE

29 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD29 ALICE Physics Program Deconfinement: charmonium and bottomonium spectroscopy Energy loss of partons in quark gluon plasma: jet quenching high p t spectra open charm and open beauty Chiral symmetry restoration: neutral to charged ratios resonance decays Fluctuation phenomena - critical behavior: event-by-event (√N) particle composition and spectra pp collisions in a new energy domain

30 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD30 Heavy ion experiment at LHC ALICE will meet the challenge to measure flavor content and phase-space distribution event-by-event: Most (2  * 1.8 units  ) of the hadrons (dE/dx + ToF), leptons (dE/dx, transition radiation, magnetic analysis) and photons (high resolution EM calorimetry); Track and identify from very low ( 100 GeV/c; hard processes); Identify short lived particles (hyperons, D/B meson) through secondary vertex detection; Identify jets;

31 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD31 Alice uses ~all known techniques! 0 1 2 3 4 5 p (GeV/c) 1 10 100 p (GeV/c) TRD e /  PHOS  /  0 TPC + ITS (dE/dx)  /K K/p e /  HMPID (RICH) TOF Aerogel Cherenkov 10 GeV/c ALICE PID EMCAL

32 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD32 Jet Phase Space 01210100 p t (GeV/c) Bulk properties Hard processes Modified by the medium T=  QCD QsQs ALICE Tracking & PID Jets from Correlations and Leading Particles Reconstructed Jets Mini-jets 100/event 1/event 100K/year Jet physics will dominate the LHC heavy-ion program, ALICE will be the main contender of the race for jet quenching

33 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD33 The ALICE program in 2007 on wards The first 15 minutes; L int =1  b -1 Event multiplicity, low p t hadronic spectra, particle ratios The first month; L int =0.1-1nb -1 Rare high p t processes: jets, D,B, quarkonia, photons, electrons The following years: pA, A scan, E scan  PbPb = 8barn; L PbPb 10 27 cm -2 s -1 ; t 0 =04/2007

34 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD34 ALICE: the dedicated HI experiment Solenoid magnet 0.5 T Central tracking system: ITS TPC TRD TOF MUON Spectrometer: absorbers tracking stations trigger chambers dipole Specialized detectors: HMPID PHOS Forward detectors: PMD FMD, T0, V0, ZDC Cosmic rays trigger

35 6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD35 Proposed ALICE EMCAL EM Sampling Calorimeter (STAR Design) Pb-scintillator linear response -0.7 <  < 0.7  /3 <  <  Energy resolution ~15%/√E