Grenoble 5 Juin 2003Yves Schutz1 QCD et la transition de phase La physique des ions lourds ultra...

Grenoble 5 Juin 2003 Yves Schutz 1

QCD et la transition de phase

La physique des ions lourds ultra relativistes


Motivation La propriété de liberté asymptotique de QCD implique qu’à

suffisamment petite distance ou grand moment transféré la dynamique des quarks et gluons est décrite par un couplage faible : Formation d’un plasma de quarks et de gluons à haute température, Test de l’interaction forte à l’échelle QCD (T QCD = 200 MeV ; >

GeV/fm3 ). La dynamique de QCD brise spontanément la symétrie chirale :

Restauration de s, Origine de la masse des hadrons.

A petite valeur de Bjorken-x (< 10-4), la fonction de distribution des gluons dans le nucléon et le noyau est saturée : Nouvelle forme de matière : couplage faible, champ de couleur fort, QCD dans le régime classique, étude des aspects non linéaires de

QCD.


L’approche empirique

Créer, par collisions d’ions lourds, de la matière à haute température (T > 1012 K) et densité d’énergie (> 1 GeV/fm3) dans un volume macroscopique.

Étudier la dynamique du système : Équilibre chimique, thermique ? Équation d’état, transition de phase ? Degrés de liberté : hadrons ou partons ? En variant les paramètres de contrôle : T(s, b), V(A, b)

Propriétés de la voie d’entrée, II, IF : p+p : collision élémentaire dans le vide ; p+A : modification nucléaire dans l’état initial et final ; O(A+A) = O(N+N) + (phénomènes cohérents).


Thermodynamique

Transition de phase signalée par une discontinuité dans la variation des paramètres thermodynamiques : 1er ordre : discontinuité dans S, V, (dérivé 1 de fonction thermodynamique), chaleur latente, coexistence de phases;

2ème ordre : discontinuité dans Cp,T (dérivé 2 de fonction thermodynamique) ;

Au-delà du point critique, plus de discontinuité (crossover) : les variables thermodynamiques varient rapidement.

tem

péra

ture

pression

glace

vapeur

liquide

point critique

point triple

H2O

100°C

0°C

760mm


Thermodynamique de la matière nucléaire

Paramètres de contrôle : Température (T[MeV]) Énergie ([MeV/fm3]) Potentiel chimique baryonique (B[MeV]) ou densité

baryonique ([baryons/fm3]) Potentiel thermodynamique :

(T,V,) = E-TS-B (grand potentiel) B: nombre baryonique (T,) = B/V : densité baryonique (dépend de EOS)


Diagramme de phase de la matière nucléaire

LHC

RHIC

SpS


QCD régime non perturbatif

QCD sur réseau B = 0 : température de la transition

Limite Stefan-Boltzmann pour un gaz de particules libres

2 saveurs : mu = md

3 saveurs : mu = md = ms

2+1 saveurs : mu = md

ms > mu,d

saveurs lourdes exp(-mc,b,t/T)

Karsch et al. N.P. B605 (2001) 579



QCD sur réseau B = 0 :

Limite Stefan-Boltzmann pour un gaz de particules libres

2 saveurs : mu = md

3 saveurs : mu = md = ms

2+1 saveurs : mu = md

ms > mu,d

saveurs lourdes exp(-mc,b,t/T)

T > 3Tc ~ gaz parfait



0LR + RL0 0

Nombre de paires qq par unité de volume dans le vide QCD

L exp(-fq/T) ; fq énergie libre

QCD sur réseau B = 0 : symétrie chirale



Augmentation rapide de (T) à Tc constante

Changement de phase sans discontinuité Tc=173 ± 15 MeV, c = 0.7 – 3 GeV/fm3

Stable avec le nombre de saveurs

T < 3Tc (RHIC) ~ 50% de SB

T >> Tc (LHC) gaz parfait de quantas QCD (s ~ 0)

Symétrie chirale restaurée à même Tc

B 50 MeV influe peu sur la valeur de Tc


20 ans d’exploration expérimentale

Collisions relativistes d’ions lourds

AGS (1980)2 GeV

SPS (1990)18 GeV

RHIC (2000)200 GeV

LHC (2007))5500 GeV


20 ans d’exploration expérimentale

Ordre de la transition : B ~ 0 : sans discontinuité B > ? : 1er ordre (GSI/CBM)

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


L’ère des collisionneurs

ALICE

Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) , Dans un volume plus important, Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets, , Q, Z, W Un domaine en x inexploré (QSA1/3/x, CGC)

<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

550020017s(GeV)

LHCRHICSPSCentral collisions


Dynamique de la collision

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=0 y

B

-1 0 +1


Les sondes

Sondes dures de la phase initiale : Photons réels () et virtuels (e+e-, +-) Partons (q, g) diffusés à grand pT (jets) Saveurs lourdes

Sondes de la phase thermalisée : Photons réels () et virtuels (e+e-, +-) Etats liés des quarkonia

Sondes molles formées par hadronisation : , K, p, n, , , , , , …. Uniquement après gel des collisions

inélastiques (chimique), élastique (thermique)


Evolution spatio-temporelle de la collision

e

espace

Temps

AA

E

xpan

sion

Hadronisation t 5 fm/c

Gel chimique; Tc 170 MeV

p K

Gel thermiquet 100 fm/c Tf 100 MeV

QGP t 0.5 fm/c

e jet

Pre-équilibre


Les observables

Caractéristiques globales de l’état formé Mcharge(b), dN/d, ET(b), B/B .

Thermalisation ? Anisotropie azimutale Spectre en impulsion transverse

Diagnostique de l’état formé Sondes pénétrantes

Degré de cohérence, densité d’énergie, dynamique de formation.


Au+Au à sNN = 130 GeV

Collision centrale

STAR


60 << 62 Une collision : Pb+Pb @ 5.5 TeV

dN/dy = 8,000


Multiplicité: nombre de particules chargées

Multiplicité moyenne par événement évolue monotonement avec s de SpS à RHIC (5.000 @ 120 GeV, 6.200 @ 200 GeV) !

Production de particules augmente plus rapidement que la loi d’échelle du nombre de participants :

Effets de milieu cohérents ? Processus mous (Nparticipants) + durs Ncollisions ?

Propriétés de la voie d’entrée (saturation des gluons) ou dynamique dans l’état final ?

s LHC = 27,5 * s RHIC : extrapolation hasardeuse (1500-6000)


Rapidité : dynamique de la collision

Production à mi-rapidité forme un plateau : invariance par transformation de Lorentz (limitée à || < 2)

~ Conforme avec une expansion hydrodynamique longitudinale (modèle de Bjorken)

0-5%

5-10%

10-20%

BRAHMS

Au+Au @ sNN = 200 GeV

faisceau = ± 6


Energie transverse : densité d’énergie initiale

(=t2-z2) = 1/(2cR2 dEt/d=0

R2

2c

Bjorken

= 5.5 GeV/fm3


Energie transverse : densité d’énergie initiale

= 5.5 GeV/fm3

RHIC

De la matière est formée au-delà des conditions critiques


p et p : origine des baryons

A mi-rapidité (y=0) la plupart (75%) des protons (anti-protons) sont créés par la collision : les noyaux ne sont pas encore transparents; le milieu n’est pas exempt de B ; b 0.

BRAHMS

1.01 ± 0.040.95 ± 0.05

0.75 ± 0.04


p et p : origine des baryons

Le rapport protons sur anti-protons approche l’unité quand s augmente :

B = 0, comme il y a quinze milliards d’années !


Equilibre thermique : spectres en impulsion transverse

Distribution de Maxwell-Boltzmann (Tgel) modifiée par l’expansion radiale (T) de la source : énergie cinétique plus importante pour les particules plus massives.

Tgel (fin des diffusions élastiques) = 110-120 MeV, <T >=0.5-0.6.

4 expériences et résultats identiques.


Equilibre chimique : production relative des hadrons

Les hadrons sont en équilibre chimique (fin des diffusions inélastiques) à une température qui tend asymptotiquement vers ~175 MeV (SpS T = 165 MeV)

Le potentiel baryonique chimique décroit avec s (B = 270 MeV @ 18 GeV, 29 MeV @ 200 GeV)

Tc = 175 MeV !!! Formation explosive des hadrons ?


Et après ? avant ? Rechercher des traces

de l’état initial dans l’état final : Écoulement collectif Distillation d’étrangeté Fluctuations

Exploiter des sondes produites dans l’état inital (processus durs) : Atténuation des jets Cassure des états des

quarkonia (J/, ) Quarks lourds (c, b)

Energie transverse

totale

Les hadrons sont formés


Un baromètre de l’état initial

Anisotropie spatiale dans l’état initial,

Par interaction des constituants s’établit un gradient de pression.

Expansion transverse rend le système isotrope.

L’anisotropie spatiale est transmise à la distribution en impulsion des hadrons dans l’état final (écoulement collectif).

x

z

y

S SI I

temps


Écoulement elliptique Détermination du plan de la

réaction, Distribution de l’angle

azimutal, L’intensité de l’anisotropie est

mesuré par le 2ème coefficient du développement de Fourier

atan(py/px)

y

x

hadron

Hydrodynamique

central

STAR

Anisotropie en impulsion suit l’anisotropie spatiale (b)

Amplitude sature les prédictions des modèles hydrodynamiques : Équilibre thermique atteint très

tôt, T > Tc Suivi d’une expansion

hydrodynamique.et hadronisation


Hadrons de grand pT : jet ?

Quasiment toutes les particules produites à petit pT dans le secteur non-perturbatif

A grand pT, apparition des jets (particules dominantes de la fragmentation) : diffusion élastique de partons à grand Q2.

99.5%


Identification des jets

Collision Au+Au (jet?) Jet dans collision e+e-


Corrélation azimutale des hadrons

Les jets sont visibles !


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


L’observable

ddpdT

ddpNdpR

TNN

AA

TAA

TAA /

/)(

2

2

Normal : RAA < 1 secteur non-

perturbatif RAA = 1 à grand pT ,

processus durs Suppression :

RAA < 1 à grand pT

<Nbinaire>/inelp+p

Section efficacenucleon-nucleon

AA

AA

AA

dur

mou


Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de PDFnucléaire

modification Dzmilieu

RAA d 2N AA dydpT

d 2N pp dydpT NcollAA

Perte d’énergie des particules dominantes


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


near side

away side

peripheral central

Désalignement des jets opposés

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


Effets nucléaires

d+Au sNN = 200 GeV : La suppression observée

dans Au+Au n’est pas due à un effet nucléaire.

Augmentation interprétée par interactions dans l’état initial (effet Cronin).

(h+

+h-)/2

0PHENIX préliminaire


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


Jets au LHC

Grand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique

jet

Collision axis


pp & pA avec ALICE ALICE exploitera ses atouts :

Identification des particules sur une large gamme en impulsion,

Détermination avec une bonne résolution (< 10%) de l’impulsion entre 100 MeV/c et 100 GeV/c,

Identification des vertex secondaires (d < 100 m). Pour :

Des données de référence pour la compréhension de AA (pp vide QCD, pA milieu QCD froid),

Événement sous-jacent, « bruit de fond » des processus durs rares,

Fonctions de structure dans un domaine inexploré de Bjorken-x.

Nouvelle énergie implique potentiel de découverte.


pp & pA : données de référence

Liste non exhaustive : Multiplicité PDF, shadowing, saturation à petit

x, Fonction de fragmentation perte d’énergie des

partons dans le milieu, Spectre en pT effets collectifs (écoulement

transverse), Taux relatif de production des hadrons :

interactions dans l’état final, équilibre chimique, Calibrer toutes les sondes : étrangeté, quarks

lourds, quarkonia, di-leptons, photons


La physique accessible Luminosité limitée à 1030 cm-2s-1

(empilement dans TPC) 10 mois en mode pp (107 s)

14 TeV


PDF et PDFnucléaire à petit x

Production de photons, quarks lourds et quarkonia dominée par PDF des gluons.

Saturation des gluons (QSA1/3/x) nouvel état de la matière : couplage faible, champ de couleur intense, dynamique non-linéaire (régal des théoriciens !)


Conclusion

Au SpS, « un nouvel état de la matière a été formé à haute densité d’énergie et qui présente les caractéristiques d’un plasma de quarks et de gluons »

Au RHIC, l’annonce de la découverte du plasma de quarks et de gluons ne va pas tarder. De la matière hadronique est formée en équilibre chimique à Tchimique ~

175 MeV, les collisions sont gelées à Tgel ~ 100 MeV, et se dilate avec une vitesse transverse égale à 55% de la vitesse de la lumière.

Les gradients de pression, responsables de l’expansion hydrodynamique, se développent très vite après le début de la collision.

La matière initiallement formée est en équilibre thermique et elle est opaque.

Au LHC, les conditions seront réunis pour l’étude optimale d’un gaz parfait de quanta QCD.

ALICE se trouvera au carrefour de la physique nucléaire, la physique hadronique et la physique des particules.

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