Plasma de Quarks et de Gluons
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Plasma de Quarks et de Gluons
2004 - 2014Laurent Aphecetche (SUBATECH) - François Arleo (LPTHE) Patrick Aurenche (LAPTH) - Nicole Bastid (LPCCF)
Jérôme Baudot (IReS) - Marc Bedjidian (IPNL) Hervé Borel (DAPNIA) - Guy Chanfray (IPNL)
Marie-Pierre Comets (IPNO) - Philippe Crochet (LPC-CF) - Olivier Drapier (LLR) Christian Finck (SUBATECH) - Frédéric Fleuret (LLR) - Walter Geist (IReS) François Gelis (SPhT) - Michel Gonin (LLR) - Jean Gosset (DAPNIA) Raphaël Granier de Cassagnac (LLR) - Denis Jouan
(IPNO) - Christian Kuhn (IReS) Ginès Martinez (SUBATECH) - Jean-Yves Ollitrault (SPhT) - Fouad Rami (IReS) Philippe Rosnet (LPC-CF) - Christelle
Roy (SUBATECH) - Dominique Schiff (LPTO) Yves Schutz (SUBATECH) - Florent Staley (DAPNIA)
Christophe Suire (IPNO) - Raphaël Tieulent (IPNL)
Plasma de Quarks et de Gluons
2004Laurent Aphecetche (SUBATECH) - François Arleo (LPTHE) Patrick Aurenche (LAPTH) - Nicole Bastid (LPCCF)
Jérôme Baudot (IReS) - Marc Bedjidian (IPNL) Hervé Borel (DAPNIA) - Guy Chanfray (IPNL)
Marie-Pierre Comets (IPNO) - Philippe Crochet (LPC-CF) - Olivier Drapier (LLR) Christian Finck (SUBATECH) - Frédéric Fleuret (LLR) - Walter Geist (IReS) François Gelis (SPhT) - Michel Gonin (LLR) - Jean Gosset (DAPNIA) Raphaël Granier de Cassagnac (LLR) - Denis Jouan
(IPNO) - Christian Kuhn (IReS) Ginès Martinez (SUBATECH) - Jean-Yves Ollitrault (SPhT) - Fouad Rami (IReS) Philippe Rosnet (LPC-CF) - Christelle
Roy (SUBATECH) - Dominique Schiff (LPTO) Yves Schutz (SUBATECH) - Florent Staley (DAPNIA)
Christophe Suire (IPNO) - Raphaël Tieulent (IPNL)
Nouvelles perspectives expérimentales au LHCMoyens et prospectives
christelle roy - Subatech 3
LHC@CERNFAIR@GSI 43
tem
ps
sN
N
GeV
États et régions du domaine nucléaire
RHIC@BNLLHC@CERN 5500
2007
SPS@CERNRHIC@BNL 200
2000
AGS@BNLSPS@CERN
4.717.3
1986
christelle roy - Subatech 4
Le Plasma de Quarks et de GluonsJC 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 - Subatech 5
Le Plasma de Quarks et de Gluons …
Absence d’interaction entre les partons
Transition de phase du 1er ou 2nd ordre
Restauration de la symétrie chirale
…aujourd’hui
F Karsch NPA698(2002)199
Tc ~ 170 MeV
c ~ 0.7 GeV/fm3
christelle roy - Subatech 6
État initial
Au Au
Pré-équilibre
QGP ?
En équilibre ?Thermalisé?
Hadronisation Interactions des hadrons
Freeze-out chimique
Freeze-outthermique
Temps
EffetsEffetscollectifscollectifs
0 fm/c 2 fm/c 7 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 - Subatech 7
Suppression du J/ Augmentation de l’étrangeté
Les signaux (choisis) du SPS
NA50NA50
christelle roy - Subatech 8
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 collisionneursDes collisionneurs (RHIC, LHC) et une (RHIC, LHC) et une
nouvelle nouvelle génération génération
d’expériences d’expériences
10 février 200010 février 2000
… les premières manifestations
christelle roy - Subatech 9
Caractéristiques :- machine dédiée- circonférence 3.9 km- 2 anneaux indépendants- flexibilité au niveau des systèmes et énergies de collision
Run Ions s1/2
[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
Au-Au 200
~ 10 x s1/2
CERN-SPS
Au-Au 200
Au-Au 200
Les faits @ 200 GeVLes faits @ 200 GeV
christelle roy - Subatech 11
Les témoins d’une collision violente
1/(R20)[dET/dy]
Bjorken : matière sans interaction en expansion longitudinale
x 1.7 par rapport au SPS > c (QCD) ~1 GeV/fm3
5.5 GeV/fm3 (3.2@SPS)
PHENIX PRL87(2001)52301;NA49 PRL75(1995)3814
Freeze-out Chimique/Thermique
PHOBOS PRC65(2002)061901R
Progression monotone de la multiplicité
99.5%
R2
0 ~ 1 fm/c
christelle roy - Subatech 12
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/0405068
Au freeze-out chimique
centralité
1) Tch = 160 ± 5 MeV (155@SPS )
Tch TQCD
3) Paramètre de saturation en étrangeté Collisions centrales : s 1
(0.75@SPS)
2) B= 24 ± 4 MeV (250@SPS)
christelle roy - Subatech 13
Modèle hydrodynamique Source en équilibre thermique
T, en expansion avec une vitesse collective (flot) <T>
Au freeze-out thermique
RHICRHIC , K, p:, K, p:
– T ~ 90 MeV < Tch~ 160 MeV– <T> ~ 0.57 c – Rediffusion
, , – T~150MeV, <T>~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
Tch
Temps
christelle roy - Subatech 14
y
x
py
px
Asymétrie spatiale
2
2 21 2 cos( )
2 nnT T
d N dNv n
dp d dp
Interactions entre les constituants gradient de pression : asymétrie spatiale impulsion
A y ~ 0 : le flow v1 disparaît, seul v2 demeure.
Collisions non centrales
2 2
2 2 2cos(2 )x y
x y
p pv
p p
1tan y
x
p
p
Remonter au début par le flot elliptique
Asymétrie dans l’espace des impulsions
v2 sensible aux 1ers 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 - Subatech 15
Fonction d’excitation du flot
A RHICA RHICUn flot elliptique important (déjà le cas au SPS)
La limite hydrodynamique est atteinte (nouveau)
Limite hydroLimite hydro
christelle roy - Subatech 16
Émergence de degrés de liberté pertinents
PHENIX PRL91(2003)182301/ STAR PRL92(2004)052302
Calculs hydrodynamiquesP Huovinen, P Kolb, U
Heinz, P Ruuskanen, S Voloshin
PLB503(2001)58 Phases hadronique + plasma
Thermalisation très tôt (therm<1fm/c)
v2/nq versus pT/nq
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
Les responsablesLes responsables
christelle roy - Subatech 18
Suppression des jets
+ Quantification des effets nucléaires de la matière nucléaire froide avec les collisions pp et dAu : - effets de shadowing (modification des fns de
structures des partons) - collisions multiples (effet Cronin)
Milieu dense : • perte d’énergie des partons, abaissant les pT
• suppression de jets, des hadrons • phénomène à la densité d’énergie donc à la densité gluonique (jet-quenching) Suppression à haut pT phase QGP
Cronin : collisions multiples modifiant les pT
M Gyulassy, X Wang NPB420(1994)583R Baier, Y Dokshitzer, A Mueller, S Peigne,D Schiff
NPB483(1997)291
nucleon nucleonparton
jet
christelle roy - Subatech 19
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)034910
RAA = d2N/dpTd (Au+Au)
NColld2N/dpTd (p+p)
Facteur de modificationnucléaire :
christelle roy - Subatech 20
1- suppression 1- suppression à haut pà haut pTT: «jet quenching»
Même dépendance que celle du flot elliptique, en accord
avec les prédictions des modèles basés sur la
coalescence de quarks
2- Dépendance 2- Dépendance au type de au type de particulesparticules : Baryons/Mésons
Dépendance au type de particules
STAR@SQM04
christelle roy - Subatech 21
Le CGC proposé comme précurseur
Conditions initiales à RHIC : ions lourds + énergies élevées Densité de partons (gluons) très élevée Noyaux en collision décrits par une fonction d’onde colorée hautement saturée et gluonique “Color Glass Condensate” (précurseur du QGP)
Rd
Au
= 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/0403005
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
christelle roy - Subatech 22
Que sont devenus les signaux du SPS ?
christelle roy - Subatech 23
Les quatre ans de RHIC - I Que sommes-nous parvenus à créer « en laboratoire » ?
Les collisions à RHIC ont créé un système extrêmement dense dont les degrés de libertés pertinents paraissent être les
quarks. Comment l’avons-nous caractérisé ?
– Production de particules à partir d’un système en équilibre chimique
– Spectres en pT compatibles avec une source en équilibre thermique et en expansion avec une vitesse collective (hydrodynamique)
– Vu au SPS ? Oui
– Densité d’énergie (= 5 GeV/fm3) > critique
– Vu au SPS ? Oui. (= 3.2 GeV/fm3)
– Flot elliptique important, dénotant des fortes interactions et atteignant la limite hydrodynamique, avec des temps de thermalisation courts (~ 1 fm/c)
– Vu au SPS ? Non, v2 pas aussi important. Décrit par l’hydro avec des hypothèses non réalistes
christelle roy - Subatech 24
Les quatre ans de RHIC - II Comment l’avons-nous caractérisé ?
– Forte suppression des particules dans les collisions AuAu à haut pT (par rapport à p+p, d+Au) compatible avec la perte d’énergie des partons dans un milieu dense
– Vu au SPS ? Non
– Flot partonique et facteurs de modification nucléaire montrant une dépendance au type de particules, en accord avec les modèles de recombinaison de quarks dans un milieu dense et thermalisé
– Vu au SPS ? Non
… Alors ?
sQGP pour strongly interacting QGP
christelle roy - Subatech 25
Les quatre papiers blancs
christelle roy - Subatech 26
Annexe
christelle roy - Subatech 27
Excès de photons directs
Les signaux du SPS
Modification des propriétés du méson
WA98WA98
christelle roy - Subatech 28
Luminosités
100 GeV/u
31.2 GeV/u
Phenix1370 (15x)
21.8
Star1270 (21x)
20.7
Brahms
560 (13x) 12.2
Phobos
540 (7x) 12.3
Luminosités totalesen b-1 (par rapport au Run-2)
AuAu • 12 semaines (100, 31.2 GeV/u)• L= 8. 1026 cm-2 s-1 à 100GeV/u
pp• 5 semaines• L = 6.1031 cm-2 s-1 à 100 GeV/u
christelle roy - Subatech 29
Données Au + X
Evénements Au
0
20
40
60
80
100
120
2000 2001 2002 2004
Années
Mill
ions
d'é
vts
d+Au
AuAu 62 GeV
AuAu 130 GeV
AuAu 200 GeV
AuAu@200GeV : ~ 95 Mevts (550 heures) dont ~ 50 M minimumBias
~ 30 M centraux ~ SSD In: 60 M
AuAu@62GeV : ~ 15 Mevts (78 heures)
dont ~ 14 M minimumBias ~ SSD In: 14 M
pp@200GeV : 23 Millions d’évts
christelle roy - Subatech 30
Les quatre expériences
christelle roy - Subatech 31
Coalescence des quarks
V Greco nucl-th/0405040
Dépendance au type de particules reproduite…
RJ Fries PRC68(2003)044902
… par les modèles basés sur la recombinaison de quarks
christelle roy - Subatech 32
Spectres des ±, p(pbar) ~reproduits par l’hydrodynamique avec une EOS-QGP à
0=0.6 fm/c
Pions
Lignes pleines : QGP+HG / pointillées: HG
Physique « soft » & Hydrodynamique
Protons
christelle roy - Subatech 33
Calculs hydrodynamiques :
Hydrodynamique et thermalisation
PHENIX PRL91(2003)182301
Meilleur accord pour une EOS(Q)
STAR PRL87(2001)182301
P. Huovinen PLB503(2001)58
christelle roy - Subatech 34
Les particules subissent une perte d’énergie significative en traversant le milieu
La perte d’énergie dépend du chemin parcouru dans le milieu dense
jets
Medium
STAR: nucl-ex/0407007
Tomographie du milieu dense
Au+Au: suppression plus importante dans la direction hors plan de réaction que dans le plan
Géométrie du milieu dense se révèle d’elle-même
christelle roy - Subatech 35
Arsene et al. PRL2003
R=Rcp(=2.2)/Rcp(=0)
• Importante suppression à haut pT dans les collisions Au+Au centrales
• Suppression encore plus importante aux grandes rapidités
Suppression et rapidité
christelle roy - Subatech 36
RdAu et RAA en accord avec CGC D. Kharzeev, Y.V. Kovchegov, K. Tuchin, hep-ph/0405054 (2004)
christelle roy - Subatech 37
• pQCD – Shadowing nucléaire– Multiscattering nucléaire
En incluant le multiscattering : accord raisonnable pQCD et données
Suppression et pQCD
G.G. Barnafoldi, G. Papp, P. Levai,G. Fai, nucl-th/0404012 (2004)R. Vogt, hep-ph/0405060 (2004)
christelle roy - Subatech 38
Haut pT au SPS• π0 à haut pT dans les collisions centrales (0-10%) au SPS (et
@ ISR) : compatible avec “Ncoll-scaling” ou effet Cronin
D.d'E. PLB 596, 32 (2004)
christelle roy - Subatech 39
Perte d’énergie des partons et pQCD
Ajustement avec pQCD ( E des partons)
dNgluon/dy ~ 1100 au début de l’expansion
~30-50 la densité de gluons de la matière froide
PHENIX : PRC69(2004)034910STAR : PRL91(2003)172302GLV : I. Vitev, JPG30(2004)S791+ I Vitev, M Gyulassy
PRL89(2002)252301
christelle roy - Subatech 40
STAR PRELIMINARY
AuAu@200 GeV :Symboles fermés 4 < pT
trig < 6 GeV/c
Symboles ouverts 6 < pTtrig < 10
GeV/c
Particules associées 0.15 < pT < 4 GeV/c
Hadrons des collisions centrales Au+Au :• supérieurs en nombre • plus « mous » en pT
• distribués ~ statistiquement en angle[~ cos()] par rapport à pp ou collisions périphériques Au+Au. les produits away-side semblent approchés l’équilibre avec le milieu dense traversé, rendant la thermalisation du milieu plausible
<pT> et équilibre
christelle roy - Subatech 41
Rcp des particules étrangesR
cpDifférence Baryons - Mésons
christelle roy - Subatech 42
RAA des particules étranges
K±, K0s, et h- : même comportement
p, , ont une hiérarchie différente
h-
christelle roy - Subatech 43
CGC & densité de rapidité
Color Glass Condensate reproduit les densités de rapidité à RHIC dNg/dy ~ consistent avec la perte d’énergie des partons
christelle roy - Subatech 44
E = (Yield)AA/(Yield)pp (*)
• Gd système grandes mult. conservation du nbre baryonique peut être réalisée en moyenne en introduisant un potentiel chimique
Grand Canonique
• Pt système faibles mult. lois de conservation implémentées localement
Canonique la conservation des nombres quantiques réduit sévèrement l’espace disponible pour la production de particules
Suppression Canonique (SC)
(*) Dénominateur réduit par SC E Essence même de l’augmentation de l’étrangeté
S.Jacoob, J.Cleymans hep-ph/0208246A.Tounsi, K.Redlich J. Phys. G27 (2001) 589
Suppression canonique - I
christelle roy - Subatech 45
E est une fonction décroissante de l’énergie de
collision
La SC explique l’augmentation de l’étrangeté et prédit la même hiérarchie que les données
L’augmentation de l’étrangeté n’est pas un signal non-ambigu du QGP puisqu’elle existe à des énergies où on n’attend pas le
plasma !!!!
Suppression canonique - II
christelle roy - Subatech 46
Stopping
christelle roy - Subatech 47
Étude des quarkonia
Faible absorption nucléaire à faible xAu (y>0)
christelle roy - Subatech 48
Au+Au sNN=200 GeV
Un comportement complexe « simplement »
expliqué à un niveau partonique
… à pT intermédiaire !
Au+Au sNN=200 GeV
STAR Preliminary
MinBias 0-80%
• flow partonique• v2
s ~ v2u,d ~
7%
D. Molnar, S.A. Voloshin nucl-th/0302014 V. Greco, C.M. Ko, P. Levai nucl-th/0305024 R.J. Fries, B. Muller, C. Nonaka, S.A. Bass nucl-th/0306027
D. Molnar, S.A. Voloshin nucl-th/0302014 V. Greco, C.M. Ko, P. Levai nucl-th/0305024 R.J. Fries, B. Muller, C. Nonaka, S.A. Bass nucl-th/0306027
Idée d’un flot par constituantflot par constituant – Modèles de coalescence Flot elliptique développé à un niveau partoniqueFlot elliptique développé à un niveau partonique
Flot partonique
christelle roy - Subatech 49
Un régime quantitativement nouveau
SPS RHIC LHC
Start 1986 2000 2007
√sNN (GeV) 17200
5500 x28
dNch/dy 500 850 1500- 8000 ?
0QGP (fm/c) 1 0.2 0.1 Faster
T/Tc 1.1 1.9 3.0 - 4.2 Hotter
(GeV/fm3) 3 5 15 - 60 Denser
QGP (fm/c) ≤2 2-4 > 10 Longer
Vf(fm3) qq 103 qq 104 qq 105 Bigger
christelle roy - Subatech 50
• Une séparation en temps entre les freeze-out implique qu’une partie des produits de décroissance de la résonance peuvent interagir
• Suppression relative (AA durée)/pp(soudain) = chronomètre
K
K
KK
p
p
p p
FO chimique
FO thermique
p
K
Motivation• Leur temps de vie est similaire au temps de vie du système (qq
fm/c) leur taux de production peut renseigner sur le temps de vie du
système (sur la soudaineté des processus d’hadronisation)• Production au freeze-out chimique rescattering
régénération
Résonances des particules étranges
christelle roy - Subatech 51
Résonances: UrQMD & données • La Dynamique est décrite en terme de collisions inélastiques et (pseudo-)élastiques.
M. Bleicher and J. AichelinPhys.Lett.B530:81-87, 2002
y
30% de perte de (1520) à RHIC
christelle roy - Subatech 52
• Modèle de Glauber : interprétation géométrique relativement simple de la collision : nucléons-projectile passant au travers du noyau-cible (ligne droite) et peuvent interagir plusieurs fois avec les nucléons-cible (vice-versa)
• Un nucléon qui a subi des interactions, reste dans son même état, donc interagit avec la même section efficace qu’au début
• Les multiplicités de part. chargées nbre de nucléons participants calculés avec Glauber
• Entrées du modèle : dist. of de la densité de nucléons dans le noyau (paramétrée avec une fonction type Wood-Saxon) et la section eff. nucléon-nucléon in= 30 mb
Npart (Glauber)
WA97 : Nucl. Phys. A661(1999)130