plasma de quarks et de gluons

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


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.”


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


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


Suppression du J/ Augmentation de l’étrangeté

Les signaux (choisis) du SPS

NA50NA50


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


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


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


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)


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


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)


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


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


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


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 :


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


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


Que sont devenus les signaux du SPS ?


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


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


Les quatre papiers blancs


Annexe


Excès de photons directs

Les signaux du SPS

Modification des propriétés du méson

WA98WA98


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


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


Les quatre expériences


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


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


Calculs hydrodynamiques :

Hydrodynamique et thermalisation

PHENIX PRL91(2003)182301

Meilleur accord pour une EOS(Q)

STAR PRL87(2001)182301

P. Huovinen PLB503(2001)58


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


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


RdAu et RAA en accord avec CGC D. Kharzeev, Y.V. Kovchegov, K. Tuchin, hep-ph/0405054 (2004)


• 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)


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)


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


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


Rcp des particules étrangesR

cpDifférence Baryons - Mésons


RAA des particules étranges

K±, K0s, et h- : même comportement

p, , ont une hiérarchie différente

h-


CGC & densité de rapidité

Color Glass Condensate reproduit les densités de rapidité à RHIC dNg/dy ~ consistent avec la perte d’énergie des partons


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


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


Stopping


Étude des quarkonia

Faible absorption nucléaire à faible xAu (y>0)


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


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


• 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


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


• 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

plasma de quarks et de gluons

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