6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 1

ALICE teste la QCD

Physique des ions lourds au LHC

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 2

Les ions lourds au LHC

SPS RHIC LHC

√sNN (GeV) 17 200

0QGP (fm/c) 1 0.2

T/Tc 1.1 1.9

(GeV/fm3) 3 5

QGP (fm/c) ≤2 2-4

5500 X 28

0.1 plus tôt

3.0-4.2 plus chaud

15-60 plus dense

>10 plus 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

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 3

Formation du vrai vide de QCD

Un gaz de gluons et de quarks (3 saveurs) interagissant faiblement où la symétrie Chirale est restaurée

mu= md = ms

mu = md

mu = md ; ms mu,d

QL atténués exp(-mc,b,t/T)

s(T)=4/(18log(5T/Tc))

RHIC

SPS

LHC

Pas encore un gaz parfait

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 4

Quel état de la matière et quelles observables QGP, sQGP, wQGP, bsQGP, CGC,… ? Les signatures de la transition de phase ?

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 5

De la théorie à l’expérience

MFFDiL a

aˆ~

4

1

dddd

p4

,,,,,6 0 bcsduhhN

Modèle(s)

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 6

De la théorie à l’expérience

MFFDiL a

aˆ~

4

1

dddd

p4

,,,,,6 0 bcsduhhN

Modèle(s)

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 7

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/fm3]>c, augmentation de S, suppression de J/ψ, rayonnement thermique photon, masse du ,…)

Signes précurseurs mais formation du QGP ambiguë

Pb+Pb √sNN = 17.3 GeV NA 49

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 8

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/fm3) 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 √sNN = 200 GeVSTAR

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 9

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 √sNN= 5.5 TeV.

“Il est dangereux de faire des prédictions, surtout si elles concernent le futur"

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 10

QCD dans un nouveau régime cinématique

x<<1 Détermine les propriétés du

milieu (QS=0.2A1/6√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 10-2 100

x

108

106

104

102

100

Q2 (

GeV

2)

100 GeV

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 11

pQCD en action: un nouveau régime cinématique

Q >> 1 Détermine la sonde du milieu Q >> QCD, T (, r ~1/Q)

J/ψ

ALICE PPR CERN/LHCC 2003-049²

10-6 10-4 10-2 100

x

108

106

104

102

100

Q2 (

GeV

2)

100 GeV

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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

RHICSPS

(h++h-)/2

0

17 GeV

200 GeV

5500 GeV=√s

LO p+p y=0

LHC:hard/total = 98% (50% à RHIC)

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 13

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

ET

état hadronique final

Lhadr ~ ET/Q2hadr

222 ,ˆ

ˆ,, Qx

tQxQxxx c

cdabbab

abcda

h

ch

Bb

Aa

1

0

1

0t

Dd

dffdd

dddEd

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 14

Dynamique des partons dans le milieu

Lhadr ~ ET/Q2hadr

Ltherm ~ √(ET/q )^

c

2c

cdab2b

2ab

abcda

h

x

Q,1x

1

1

t̂

ˆQ,xQ,xxx

εD

εεP dε

dd

ffdddddE

d

ch

Bb

Aa

1

0

1

0t

état hadronique final

ET

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 15

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.

Lhadr ~ ET/Q2hadr

Ltherm ~ √(ET/q )^

^

état hadronique final

ET

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 16

Thermalisation dans le milieu

Ltherm< Lhadr < Lmedium

Le parton est thermalisé dans le bain thermique Les propriétés globales du milieu sont déduites à partir des

hadrons de bas pht ( ≤ 2 GeV/c) hadrons, leptons, photons

~ ET

Conditions expérimentales: seuil à bas pt

ET

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 17

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

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 18

Modification du processus de hadronisation

Ltherm~ Lhadr ~ Lmedium

Le milieu, paramètre de contrôle pour modifier le processus d’hadronisation

pht ~2-7 GeV/c

Lhadr ~ ET/Q2hadr

ET

état hadronique final

E Ltherm ~ √(ET/q )^

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 19

Dynamique du processus de hadronisation

hadronsblanchis

partoncoloré

Quark habilléou

Corde de couleurou

diquarkou...

Recombinaison

Fragmentation

Habillage du Diquark

pQCD:

Da h (z,Q2)

Quark habilléou

Corde de couleurou

diquarkou...

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 20

RHIC: fragmentation modifiée

Condition expérimentale: PID jusqu’à ~ 10 GeV/c

p/

Pt[GeV/c]

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 21

Effets de milieu dans l’état final

Ltherm> Lhadr > Lmedium Le parton perd de l’énergie additionnelle energy (qL2) Multiplicité et énergie transverse de la gerbe hadronique

augmentent (qL) Hadron dominant

E Ltherm ~ √(ET/q )^

^

^

xET

ET

état hadronique final

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 22

Hadron dominant (qL2)

… 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 pt

^

q=5 GeV2/fm^

q=10 GeV2/fm^

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 23

Dépendance g, q, Q

Egluon Equark, m0 Equark, m0

Condition expérimentale: grand pt electrons, vertex

Armesto, Dainese, Salgado, Wiedemann hep-ph/0501225

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 24

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

^

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 25

Excitation du jet

Énergie totale du jet peu sensible, augmentation de kt

Fragmentation longitudinale et transverse: étiquetage (Z)

Salgado, Wiedemann, hep-ph/0310079

. kt

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Etiquetage des jets

Pb+Pb 40GeV → -jetR=0.3; pt> 2 GeV/c

Ejet/E zT=pT/E

RAA

Condition experimentale: calorimétrie, hadrons bas zt, grand pt

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1+2 experiments at the LHC ATLASCMSALICE

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ALICE

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ALICE Physics Program

Deconfinement: charmonium and bottomonium spectroscopy

Energy loss of partons in quark gluon plasma: jet quenching high pt 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

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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 MeV/c; soft processes) up to very high pt (>100 GeV/c; hard processes);

Identify short lived particles (hyperons, D/B meson) through secondary vertex detection;

Identify jets;

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 31

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

/K

K/p

K/p

K/p

e /

e /

HMPID (RICH)

TOF

Aerogel Cherenkov 10 GeV/c

ALICE PID

EMCAL

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Jet Phase Space

0 1 2 10 100

pt (GeV/c)

Bulk properties

Hard processesModified by the medium

T=QCD Qs

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

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The ALICE program in 2007 on wards

The first 15 minutes; Lint=1b-1

Event multiplicity, low pt hadronic spectra, particle ratios

The first month; Lint=0.1-1nb-1

Rare high pt processes: jets, D,B, quarkonia, photons, electrons

The following years: pA, A scan, E scan

PbPb = 8barn; LPbPb 1027cm-2s-1; t0=04/2007

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ALICE: the dedicated HI experimentSolenoid 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

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Proposed ALICE EMCAL

EM Sampling Calorimeter (STAR Design)

Pb-scintillator linear response -0.7 < < 0.7 /3 < <

Energy resolution ~15%/√E