Déconfinement et plasma dans les collisions d’ions lourds

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1 Déconfinement et plasma dans les collisions d’ions lourds
Plasma de quarks et de gluons Le Petit Bang RHIC/LHC Journées 2002 de la Division Physique Nucléaire de la SFP SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

2 Plasma de quarks et de gluons
Big Bang haute température (1012 K)  grande densité d ’énergie 10-6 s. : Plasma  matière confinée Etoiles à neutrons effondrement d ’étoile forte densité de matière (5 à 10 fois la densité nucléaire classique) matière confinée  plasma SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

3 PQG : transition de phase
QCD sur réseau  / T4 T/TC N d.o.f = 3 N d.o.f = (2-flavor) Pions Quarks and Gluons SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

4 PQG : diagramme de phase
Plasma de quarks et de gluons Température Big Bang Collisions d ’ions lourds ~200 MeV Etoile à neutrons Matière Nucléaire ordinaire 1 5 — 10 Densité (r/r0) SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

5 PQG : collisions d’ions lourds
15 ans de recherche au CERN : 60 & 200 GeV/nucléon : 200 GeV/nucléon : 40, 80 & 158 GeV/nucléon + pp et pA pour des études de référence hadrons 2000 photons hadrons multistrange dielectrons NA49 dimuons NA57 NA45 CERES NA50 Pb hadrons strangelets WA98 NA52 WA97 NA44 1994 dimuons hadrons 1992 WA80 WA94 NA34/3 HELIOS3 NA35 NA38 NA36 S O WA85 NA34/2 HELIOS2 1986 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

6 PQG : collisions d’ions lourds
Densité d ’énergie région centrale de rapidité région de fragmentation cible région de fragmentation projectile Paramètre d’impact “Spectateurs” “Participants” y = 0 y < 0 y > 0 Formule de Bjorken : e  3 GeV/fm3 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

7 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG : Le « Petit Bang » Quelques résultats du CERN - SPS Suppression du J/psi (déconfinement+plasma) Augmentation d ’étrangeté (plasma) photons directs et di-leptons (plasma) gel chimique (hadronisation) gel thermique (expansion) collision Hadronisation expansion température Déconfinement + plasma temps SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

8 Petit Bang : signatures du PQG
Plasma  écrantage de couleur suppression du J/Y quarkonium écrantage absorption nucléaire NA50 Absorption  s  ABa p-A S-U Pb-Pb p-A A-U Pb-Pb NA50 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

9 Petit Bang : signatures du PQG
Augmentation anormale d ’étrangeté plasma  augmentation de la production de particules étranges  (sss) >  (dss) > (uds) (uds)  x 1,5  (dss)  x 5  (sss)  x 17 b “Participants” SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

10 Petit bang : signatures du PQG
photons direct di-électrons Plasma  augmentation de la production de photons directs à grand PT plasma  augmentation de la production de di-leptons. Bkg=,   CERES/NA45 WA98 compatible avec modèle hydro (T~330MeV) données p-A correctement reproduites SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

11 Petit Bang : gel chimique
Abondances Des modèles thermiques reproduisent les abondances mesurées NA44, NA49, NA50, WA97,WA98 T  170 MeV P. Braun-Munzinger et al. SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

12 Petit Bang : gel thermique
Spectre des particules WA97, CERN-EP T = Tgel + ½ m <V>2 mouvement collectif équilibre thermique Tgel ~ 140 MeV <V> ~ 0,4 c NA44 PRL 78 (1997) 2080 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

13 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
Petit Bang : bilan La vision globale expansion Hadro. collision Gel thermique augmentation d ’étrangeté Plasma Gel chimique suppression du J/psi Photons directs Exces de di-leptons température 170 MeV 140 MeV temps SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

14 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC La machine Démarrage : 2000 Collisionneur Circonférence = 3.8 km Energie : 300 GeV en p-p 200 GeV en Au-Au Luminosité Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1 p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

15 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC été 2000 5 semaines (130 GeV) Sept. - Déc. 2001 15 semaines (200 GeV) Premiers résultats SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

16 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC Premiers résultats : densité d ’énergie BNL - AGS 4 GeV CERN - SPS 17 GeV SPS RHIC AGS BNL - RHIC GeV SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

17 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC Premiers résultats : transparence Avant la collision Y<0 Y=0 Y>0 Forte densité baryonique dN/dY arret Faible densité baryonique Y<0 Y=0 Y>0 Forte densité baryonique Faible densité baryonique transparence Y<0 Y=0 Y>0 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

18 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC Premiers résultats : gel thermique flot radial plus important à RHIC  plus forte pression SPS RHIC Tp = 190 MeV TK = 300 MeV Tp = 565 MeV mid-rapidity T = Tgel + ½ m <V>2 Tgel (RHIC) ~ 140 MeV Tgel (SPS) ~ 140 MeV <V> (RHIC) ~ 0,52 c <V> (SPS) ~ 0,4 c SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

19 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC Premiers résultats : jet quenching hadrons q leading particle leading particle (X. N. Wang, hep-ph/ ) p-p hadrons q leading particle leading particle Jet quenching A-A Perte d ’énergie dans le milieu SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

20 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG à RHIC Données 2000 : Données 2001 : J/, étrangeté, photons directs, di-leptons premiers résultats  QM2002 : Nantes (18-24 juillet) expansion Hadro. collision Gel thermique augmentation d ’étrangeté Plasma suppression du J/psi Gel chimique Photons directs Jet quenching Exces de di-leptons température 140 MeV temps SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

21 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG au LHC La machine Démarrage : 2007 Collisionneur Circonférence = 27 km Energie : 14 TeV en p-p 5,5 TeV/A en Pb-Pb Luminosité p-p: cm-2 s-1 Pb-Pb : 1027 cm-2 s-1 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

22 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG au LHC LHC .vs. plasma plus dense plus grand plus longtemps physique du plasma abondances quarkonia étrangeté Spectre des hadrons di-leptons Photons directs transparence ALICE Jet quenching densité d’énergie SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

23 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
PQG au LHC L ’expérience ALICE SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

24 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
Conclusion CERN-SPS 1986  2000 collisions Pb-Pb à 17 GeV/A « un nouvel état de la matière créé au CERN » BNL-RHIC collisions Au-Au à 200 GeV/A confirmation et premières études 2000  ~ 2007 CERN-LHC collisions Pb-Pb à 5,5 TeV/A étude complète SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

25 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
Conclusion SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

26 PQG : aupres des collisionneurs
AGS/SPS/RHIC/LHC 11 GeV/u Au-79+ 1994 : Pb beam , 158 GeV/u Au-beam 5 TeV/u Pb Beam GeV/u Au Beam SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

27 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

28 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
SPS WA98 WA97 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

29 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
SPS NA49 NA45/CERES NA50 SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

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RHIC PHOBOS & BRAHMS An experiment with a philosophy: Global phenomena large spatial sizes small momenta Minimize the number of technologies: All Si-strip tracking Si multiplicity detection PMT-based TOF Unbiased global look at very large number of collisions (~109) An experiment with an emphasis: Quality PID spectra over a broad range of rapidity and pT Special emphasis: Where do the baryons go? How is directed energy transferred to the reaction products? Two magnetic dipole spectrometers in “classic” fixed-target configuration SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

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RHIC STAR & PHENIX An experiment with a challenge: Track ~ 2000 charged particles in |h| < 1 Large acceptance An experiment with something for everybody A complex apparatus to measure Hadrons Muons Electrons Photons Executive summary: High resolution High granularity SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

32 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
(PID) Acceptances BRAHMS Acceptance PHOBOS Acceptance STAR Acceptance SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

33 Petit Bang : signatures du QGP
Suppression anormale du J/Y plasma  écrantage de couleur quarkonium p-A S-U Pb-Pb c écrantage Y NA50 (Satz et al.) c  g y (30%) SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique

34 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique
Physics Menu * Needs upgrade X X* WA98, CERES CERES NA50 NA49 NA60 (CERES, WA98) Photons Low-mass e+e- Vector mesons     l+l- K+K- J/ e+e- + -   + - Open charm High pT Rare / Penetrating Probes Multiplicity ET Spectra and ratios Flow & Correlations Multi – strange STAR PHOBOS PHENIX BRAHMS RHIC NA49, WA80 All NA44+ … WA 97 Global and Hadrons SPS SFP-Caen Mars 2002 Frédéric Fleuret - LLR Ecole Polytechnique