21/11/2002 YS 1

Transitions de phase de la matière nucléaire

Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire

Formation et étude de la matière nucléaire déconfinée

21/11/2002 YS 2

Transitions de phase de la matière nucléaire

Au-delà d’environ 31012 K, QCD, la théorie qui décrit les particules en interaction forte, prédit que la matière nucléaire subit une transition de phase pour former un plasma des constituants élémentaires de la matière … Thermodynamique de la matière nucléaire Les collisions d’ions lourds aux énergies ultra

relativistes Du SPS au RHIC, en attendant le LHC

qqq

qqq

qqq qqqq q

qq

qq

q

q

q

qq q

q

qq

q q

qqqqqqq

q

q

q qq

qq

q

qqqq

qqq

q

q

qq

q

21/11/2002 YS 3

Thermodynamique de la matière nucléaire

Dépendance des propriétés de la matière avec (T,P), étudiée comme une conséquence de la structure en quarks de la matière: Comment les phénomènes collectifs et les propriétés macroscopiques de systèmes mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté découlent des lois microscopiques de la physique des particules. Tester l’interaction forte à l’échelle QCD (déconfinement et symétrie chirale)

QCDeV > GeV/fm3) quarks (masse libre) interaction forte

21/11/2002 YS 4

Thermodynamique de la matière nucléaire

température

pre

ssio

n

glace

vapeur

liquidepoint critique

point triple

H2O

Diagramme des phases en fonction de paramètres de contrôle (conditions externes)

(Tc, Pc): transition de phase du 1er ordre (discontinuité dans S, V) = (Tc, Pc): transition de phase du 2eme ordre (discontinuité dans Cp, T) (Tc, Pc): changement de phase crossover (les variables thermodynamiques varient

rapidement)

21/11/2002 YS 5

Diagramme de phase de la matière nucléaire

Paramètres de contrôle: Température (T[MeV]) ou densité d’énergie ([MeV/fm3]) Densité baryonique ([baryons/fm3]) ou potentiel chimique

baryonique (B[MeV])

(T,V,) = E-TS-B: augmentation de l’énergie quand B B+1B (T,) = B/V : densité baryonique (équation d’état)

21/11/2002 YS 6

Diagramme de phase de la matière nucléaire

Ene

rgy

dens

ity

(MeV

/fm

3 )

21/11/2002 YS 7

QCD à haute température

MS prédit l’occurrence de transitions de phase comme une conséquence de la brisure de symétries fondamentales de la nature (origine de la masse) et … QCD sur réseau calcul qu’à Tc > 200 MeV, la

matière est déconfinée et … La symétrie chirale est approximativement

restaurée : les quarks retrouvent leur petite masse

21/11/2002 YS 8

QCD sur réseau : formation du plasma

Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres

=0

•Augmentation brutale de à Tc 170 MeV (c 700 MeV/fm3).• Plateau à 80% limite SB.• Comportement indépendant de NF et mq ; ms Tc.

mu= md = ms

mu = md

mu = md ; ms mu,d

Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T)

21/11/2002 YS 9

QCD sur réseau : gaz parfait

Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres

• T 3Tc pression très en-dessous limite SB, interaction forte entre q, q et g persite dans le plasma.• T Tc (LHC) gaz parfait de quantas QCD (s 0).

mu= md = ms

mu = md

mu = md ; ms mu,d

Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T)

=0

21/11/2002 YS 10

QCD sur réseau : symétrie chirale

• T Tc symétrie chirale brisée; énergie d’une source de couleur isolée diverge (confinement).• T Tc symétrie chirale restaurée; couleur déconfinée dans le plasma.

0LR + RL0 0

Nombre de paires qq dans le vide QCD

L exp(-fq/T) ; fq énergie libre

=0

21/11/2002 YS 11

Diagramme de phase : état des lieux

Ordre de la transition:• B= 0 : crossover (mu,d 0 0)• B 0 : 1er ordre

Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons

21/11/2002 YS 12

Matière nucléaire à haute température

De la matière à T = O(1012 K)

Univers primordial (matière relativiste) : R T-1 t1/2

La matière existait sous forme de QGP à t=10-5-10-4 s après le Big Bang. Transition de phase s’accompagne de la formation de bulles hadroniques abondance relative des éléments légers à t10 minutes.C

ollis

ion

s Io

ns

Lou

rds

21/11/2002 YS 13

Matière nucléaire à haute température

De la matière à T = O(1012 K) Collisions d’ions lourds à des énergies relativistes

AGS (1980)2 GeV

SPS (1990)18 GeV

RHIC (2000)200 GeV

LHC (2007)5500 GeV

21/11/2002 YS 14

L’ère des collisionneurs

<0.2~0.5~10 (fm/c)

4-101.5-4.0<1QGP (fm/c)

2x1047x103103Vf(fm3)

15-403.52.5 (GeV/fm3)

3-8 x103650500dNch/dy

550020017s1/2(GeV)

LHCRHICSPSCentral collisions

ALICE

• Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) ,• Plus longtemps, • Nouvelles sondes: jets, , Q, Z, W• Un nouveau domaine en x (QSA1/3/x, CGC)

21/11/2002 YS 15

Collisions d’ions lourds Exploration dynamique du diagramme de phase

Noyaux aplatis par la contraction de Lorentz

Libération de partons dans collisions inélastiques NN

Thermalisation des partons libérés pz pT

Gel des collisions à Tf; B 0 à y1

Hadronization par création qq B= 0 à y=0y

B

-1 0 +1

21/11/2002 YS 16

Collisions d’ions lourds Densité d’énergie

 (=t2-z2) = 1/A dET/d =0=

dy

dE

2τ

1

R π

1ε T

0

2

dE

T/d

SPS

3.2 GeV/fm3

De la matière est formée au-delà des conditions critiques

sNN=18 GeV

21/11/2002 YS 17

Collisions d’ions lourds Densité d’énergie

 (=t2-z2) = 1/A dET/d =0=

dy

dE

2τ

1

R π

1ε T

0

2

RHIC

5+ GeV/fm3

De la matière est formée au-delà des conditions critiques

sNN=130 GeV

21/11/2002 YS 18

Collisions d’ions lourds Densité baryonnique

sNN=18 GeV

Rapidité

d B

/dy

Densité baryonnique nette en forte diminution

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Collisions d’ions lourds Densité baryonnique

0.8YY

YYY

Trpair

pair

p

p

L’état final n’est pas exclusivement issu de la désexcitation du QGP

21/11/2002 YS 20

Evolution spatio-temporelle de la collision

e

espace

Temps

AuAu

E

xpan

sion

Hadronisation t 5 fm/c

Gel chimique; Tc 170 MeV

p K

Gel thermique t 100 fm/cTf 100 MeV

QGP t 0.5 fm/c

e jet

Pre-équilibre

21/11/2002 YS 21

Boltzmann: dN/dmt exp(-mt/T)

Collisions d’ions lourds Équilibre thermique

Les conditions thermodynamiques sont déterminées à partir des hadrons émis au moment du gel thermique

21/11/2002 YS 22

Collisions d’ions lourds Équilibre chimique

Les hadrons sont formés en équilibre chimique !

Température et écoulement collectif

21/11/2002 YS 23

Diagnostiquer l ’état de la matière (1) Les sondes molles : production thermique de hadrons

Multiplicité Spectre Corrélations à 2 particules

(HBT) Composition chimique de

l ’état final : distillation de S Écoulement collectif des

particules

99.5%

21/11/2002 YS 24

Les défis

Techniques : détecteurs + déclenchement + analyse Identifier les traces de 700 (8000 au LHC) particules par

unité de rapidité Les sondes intéressantes sont rares (production, mode de

décroissance) Physiques : théorie + phénoménologie

Des effets purement hadroniques peuvent être confondus avec des effets dus au QGP

Les effets nucléaires modifiant l’état initial et final doivent être connus : e+e- pp pA AA1,2

21/11/2002 YS 25

Au+Au à sNN = 130 GeV

Collision périphérique

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Au+Au à sNN = 130 GeV

Collision semi-centrale

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Au+Au à sNN = 130 GeV

Collision centrale

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Pb+Pb à sNN = 5.5 TeV

21/11/2002 YS 29

Multiplicité des hadrons dans l’état finalAA=pp + O(milieu)

dNch/d ~ 2500

• pph plus efficace dans le milieu que dans le vide

• Q2S = N/R2

A

• Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000)

21/11/2002 YS 30

Écoulement collectif : dynamique initiale

x

z

y

y

x

hadron

pt2pt1tttt

2cosb;y,pv2cosb;y,pv21dmdymbdN

21

ddmdymbdN

Mesure:• réponse du système à la pression initiale• capacité du système à transformer anisotropie spatiale en anisotropie en moment

21/11/2002 YS 31

Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale anisotropie des moments

saturation de la limite hydrodynamique observée

Thermalisation achevée à T > Tc,

La pression responsable de l’expansion est générée par un QGP thermalisé

Mesure de EOS du QGP, p/

S SM M

temps

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Distillation d’étrangeté

Contenu en étrangetéContenu en étrangeté

Rap

port

s B

/BR

ap

port

s B

/B

STAR preliminary

• gg ss• SB ms 0• Blocage de Pauli u,d

21/11/2002 YS 33

Diagnostiquer l ’état de la matière (2)Les sondes pénétrantes

Produites dans la phase thermalisée et sans interaction forte dans l’état final: Photons réelles Photons virtuels

q

q

e-

e+

e-

e+

q

qg

photons low mass dileptons

QGP :

hadron gas :

ther

mom

ètre

modification

des mésons par milieu

, J/l+l-

21/11/2002 YS 34

Photons directs au SPS : thermomètre

... au-delà d‘une superposition de collisions pp

+ effets nucléaires dans l‘état initial

+ production thermique (QGP+HG) T = 200-335 MeV

Difficile, mais signal important attendu à RHIC et au LHC

21/11/2002 YS 35

Dissolution du méson

Modification de la fonction spectrale du méson par le milieu :• effet dynamique• restauration partielle S

21/11/2002 YS 36

Dissociation du cc

Drell-Yann est la référence

Suppression normale

Suppression(s) anormale(s)

cc c

c

c

cÉcrantage de couleur

gg cc lors de la thermalisation

Énergie transverse (GeV)

J/+-

/Dre

ll -Yan

21/11/2002 YS 37

Dissociation du cc et bb thermomètre

Les états des quarkonia sont dissous à différentes températures

21/11/2002 YS 38

… mais

• beaucoup de cc (100) dans NN indépendants, • D+D J/ +X• B J/• effets nucléaires (shadowing, quenching)

Augmentation ou Suppression du J/ ?

21/11/2002 YS 39

Diagnostiquer l ’état de la matière (3) Les sondes dures : diffusion élastique q et g à grand Q2

Diffusion de q,g à grand pt dans phase initiale

Atténuation ( dE/dx) lors du passage dans la matière

21/11/2002 YS 40

Observation des jetsJet event in eecollision

STAR Au+Au (jet?) event

21/11/2002 YS 41

Observation des jetscorrélation entre hadrons de grand pt

21/11/2002 YS 42

Perte d’énergie des q,g dans le milieu

hadrons

Particule dominate

hadrons

Particule dominante

Observables : • perte d’énergie des particules dominantes• désalignement des jets opposés

21/11/2002 YS 43

Perte d’énergie des particules dominantes

Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification Dz

milieu

pT ou xT ?

RAA d 2N AA dydpT

d 2N pp dydpT NcollAA

21/11/2002 YS 44

Perte d’énergie des particules dominantes

RAA d 2N AA dydpT

d 2N pp dydpT NcollAA

RAA 1 : effet nucléaire dans l’état final (effet Cronin)

SPS

21/11/2002 YS 45

Désalignement des jets opposés

Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ?

21/11/2002 YS 46

Jets au LHC

Hadrons de fragmentation

Fond sous-jacent

30-50 GeV 50-80 GeV

120-170 GeV

230-330 GeV

440-600 GeV

80-120 GeV

170-230 GeV

330-440 GeV

pT > 2 GeV/c

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Jets au LHC

Grand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique

jet

Collision axis

21/11/2002 YS 48

Le QGP en bref

Des calculs LQCD de plus en plus réalistes et précis prédisent une changement de phase vers de la matière déconfinée et la restauration de la symétrie chirale à T=17315 et = 0.7 GeV/fm3

Les données collectées dans les collisions d’ions lourds indiquent : Au SPS les conditions critiques sont atteintes et certaines signatures

sont compatibles avec la formation d’un QGP: Suppression du J/ (écrantage de couleur) Dissolution du méson (restauration symétrie chirale) L’émission de photons thermiques (rayonnement du QGP) La distillation d’étrangeté (hadronisation par production de paires)

21/11/2002 YS 49

Le QGP en bref

Au RHIC ces observations sont confirmées et plus de précisions sont apportées : La matière est en équilibre chimique et thermique au-delà de Tc

Il persiste une composante baryonique à mi-rapidité La production de jets est observée (détectable) …et permet de diagnostiquer la nature du milieu chaud (tomographie) Plus à venir : quarkonia, photons directs, quarks lourds

Le futur au LHC apparaît excitant, même si lointain Un plasma plus chaud, plus longtemps Formation d’un gaz parfait de quanta QCD Production de hadrons dominés par la fragmentation de jets Un domaine inexploré à petit x (saturation, QCD classique, CGC)

21/11/2002 YS 50

L’ère des collisionneurs

<0.2~0.5~10 (fm/c)

4-101.5-4.0<1QGP (fm/c)

2x1047x103103Vf(fm3)

15-403.52.5 (GeV/fm3)

3-8 x103650500dNch/dy

550020017s1/2(GeV)

LHCRHICSPSCentral collisions

ALICE

• Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) ,• Plus longtemps, • Nouvelles sondes: jets, , Q, Z, W• Un nouveau domaine en x (QSA1/3/x, CGC)

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Expansion velocity

~ 0.5 c at SPS~0.7 at RHIC

at SPS??? at RHIC

B ~ 50 at RHIC

B ~ 250 at SPS s ~ 1 at RHIC

s ~ 0.8 at SPS

jets