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Habilitation à Diriger des Recherches, Université Blaise Pascal, 10 janvier 2008. Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes. Philippe Rosnet Laboratoire de Physique Corpusculaire (Université Blaise Pascal – CNRS/IN2P3). }. Physique des ions lourds.
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Habilitation à Diriger des Recherches,Université Blaise Pascal, 10 janvier 2008 Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Philippe Rosnet Laboratoire de Physique Corpusculaire (Université Blaise Pascal – CNRS/IN2P3)
} Physique des ions lourds Activités de recherche depuis la thèse (1997) • Jusqu’à 1999 : expérience ALEPH@LEP • finalisation de la publication sur l’élément de matrice CKM : |Vub| • participation au LEP Heavy Flavour Working Group pour établir une valeur moyenne LEP de |Vub| • Entre 1998 et 2000 : expérience ATLAS@LHC • étude du système de distribution des hautes tensions du calorimètre à tuiles (TileCal) d’ATLAS • tests du système de refroidissement de l’électronique du TileCal • Depuis 2000 : expérience ALICE@LHC • Depuis 2001 : expérience PHENIX@RHIC
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes • Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire • Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon • Expérience ALICE au LHC • Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon • Conclusions et perspectives
g qa qb PDG, Phys. Lett. B 592 (2004) nombre de couleurs Nc=3 nombre de saveurs Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesQCD et liberté asymptotique • L’interaction forte entre les quarks est décrite par la chromodynamiquequantique(QCD), basée sur le groupe de symétrie SU(3)c : • constante de couplage de la forme • expérimentalement Nf = 6 s() décroit quand augmente • à basse énergie QCDles quarks interagissent fortement : confinement • à très haute énergie >> QCDles quarks et les gluons interagissent peu : liberté asymptotique
Karsch and Laermann, hep-lat/0305025 Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesTransition de phase de QCD Prédiction d’un diagramme de phase par QCD sur réseau : • transition du premier ordre à grand potentiel chimique baryonique B • existence d’un point critique • transition de phase à faible potentiel chimique baryonique de type ‘cross-over’ Étude en laboratoire à l’aide des collisions d’ions lourds ultra-relativistes à B = 0
12 28 Satz, J. Phys. G 32 (2006) R25 Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesConditions dans les collisions d’ions lourds Densité d’énergie de la matière nucléaire créée dans une collision d’ions lourds ultra-relativistes : formule de Bjorken Les conditions de déconfinement semble être réunies dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes depuis les expériences CERN-SPS, mais avec de meilleurs conditions au BNL-RHIC et surtout à venir au CERN-LHC
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesMécanismes de production des saveurs lourdes • Processus de production dans les collisions nucléon-nucléon : • à l’ordre dominant (LO) • annihilation quark-antiquark : qq QQ • fusion de gluons : gg QQ • avec une production dos-à-dos dans le plan transverse : • à l’ordre suivant (NLO) • qq avec rayonnement de gluon • gg avec excitation de saveur • gg avec gluon ‘splitting’ • avec des corrélations angulaires dans le plan transverse : 0 Fonctions de distribution partonique dans le proton : x fparton(x,Q2)
Bon accord avec les colli-sions p-p au Tevatron (CDF) à s = 1.96 TeV HERA-LHC workshop, hep-ph/0601164 Cacciari et al., JHEP 07 (2004) 033 Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesHadrons lourds : HQ = D0, D, c, B0, B, b, … Sections efficaces différentielles de production des hadrons lourds : Fonctions de distri-bution partonique Fonction de fragmentation des quarks lourds Section efficace différentielle du processus partonique Incertitudes théoriques dans les collisions p-p à s = 14 TeV Production de mésons beaux
Berger et al., Int. J. Mod. Phys. A 20 (2005) 3735 Production de dans les collisions p-p au Tevatron (D0) à s = 1.8 TeV Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesQuarkonia : J/, ’, , ’, ’’ • Mode de production décrit par différentes approches pour la partie non perturbative de QCD liée à la neutralisation de la couleur : • par gluon mou dans le Color Evaporation Model (CEM) : pas de polarisation • par gluon dur dans le Color Octet Model (COM ou NRQCD) : quarkonia polarisés Sections efficaces de production des quarkonia (intervalle de prédiction) : NQuarkonia< 1 % NQQ
Rapport fgA(x,Q2) / fgN(x,Q2) pour un noyau de plomb Eskola et al., Nucl. Phys. B 535 (1998)351 shadowing anti-shadowing Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesEffets nucléaires froids • Effets d’état initial : • Les nucléons qui interagissent dans les collisions noyau-noyau ne sont initialement pas libres modification des fonctions de distribution partonique : shadowing • Avant d’interagir inélastiquement, les partons subissent des diffusions multiples lors de la traversée du noyau distorsion des spectres en pT : effet Cronin Effet d’état final : • Le temps de formation des quarks lourds est très court : f 0.1 fm/c les quarkonia peuvent donc interagir avec les nucléons en traversant le noyau : absorption nucléaire normale des quarkonia
g g Q(pT) Q(p’T) J/ A. Andronic et al., Phys. Lett. B 751 (2003) 36 Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesÉvolution dans un milieu déconfiné • Perte d’énergie des quarks lourds : • par diffusions multiples Q + (q,g) Q + (q,g) • par rayonnement de gluons • Suppression des quarkonia par écrantage de couleur: • Augmentation des quarkonia par hadronisation statistique : nombre de paires de quarks lourds produites dans les collisions les plus centrales tension de la corde de couleur masse effective des gluons dans le QGP rayon d’écrantagerD = 1 / µ(T)
dN/dmµµ mµµ Collisions d’ions lourds et saveurs lourdesIntérêt des dimuons pour l’étude des saveurs lourdes • Dilepton = sonde électromagnétique • pas sensible au milieu nucléaire qu’il traverse • renseigne directement sur le milieu dans lequel il est produit • Production de dileptons dans les collisions p-p • processus Drell-Yan : q + q /Z µ+ µ- • désintégration des mésons vecteurs : (, , ) µ+ µ- • désintégration semi-leptonique des hadrons lourds : c + c (µ+ X) (µ- Y) b c µ- µ+ • quarkonia : (J/, ’, , ’, ’’) µ+ µ- • Production de dileptons thermiques dans un QGP Le spectre en masse des dimuons est riche en informations physiques beauté charme
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes • Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire • Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon • Expérience ALICE au LHC • Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon • Conclusions et perspectives
Expérience PHENIX au RHICLe collisionneur RHIC • RHIC : Relativistic Heavy Ion Collider • situé au Brookhaven National Laboratory (près de New York) • premier collisionneur d’ions lourds au monde • 4 expériences initialement : • BRAHMS (arrêtée en 2006) identification des hadrons chargés sur un large domaine en rapidité • PHENIX le plus « complet » avec une spécialisation dans les sondes électromagnétiques • PHOBOS (arrêtée en 2005) couverture en rapidité la plus grande pour les particules chargées • STAR conçue pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés à mi-rapidité avec vertexing
Expérience PHENIX au RHICLe détecteur PHENIX • Collaboration de 550 scientifiques de 69 instituts (14 pays) • Deux bras centraux ‘West’ et ‘East’ d’acceptance || < 0.35 et = 90° pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés, des électrons et des photons • Deux bras avant ‘South’ et ‘North’ d’acceptance 1.15 < || 2.3 et = 360° pour la reconstruction des muons • Des détecteurs globaux (BB, ZDC) pour le déclenchement du système de détection, la localisation du point d’interaction et la détermination de la centralité de la collision
PHOBOS Collaboration, Nucl. Phys. A 757 (2005) 28 Expérience PHENIX au RHICCaractéristiques globales • Mesure des taux de production de particules chargées à différentes énergies : dNch/d|=0 650 à sNN = 200 GeV • Extrapolation pour le LHC (sNN = 5.5 TeV) : dNch/dy|y=0 = 1400 – 3200 • Suppression des hadrons à grande rapidité en accord avec l’approche du Color Glass Condensate (CGC) • Estimation de la densité d’énergie initiale du système : 0 15 GeV/fm3 à 0 0.35 fm/c
STAR Collaboration, Phys. Rev. C 72 (2005) 014904 Expérience PHENIX au RHICEffets collectifs • Caractéristiques du système au freeze-out chimique par l’étude des rapports de production des particules : • Flow elliptique (v2) = asymétrie de pression de la « boule de feu » même évolution de la fraction de v2 en fonction de la fraction de pT pour toutes les particules développement au niveau partonique Résultats décrits par les modèles hydro- dynamiques incluant une EoS de type QGP avec un temps de thermalisation : th 0.6 – 1.0 fm/c
D. d’Enterria, J.Phys. G 34(2005) S53 superposition incohérente de collisions p-p collisions centrales Au-Au PHENIX Collaboratio, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 172301 Expérience PHENIX au RHICSondes dures • Suppression des hadrons de haut pT (pas pour les photons) quantifiée par le rapport de modification nucléaire : perte d’énergie des partons dans un milieu de grande densité gluonique • Suppression similaire observée pour les e de saveurs lourdes : théoriquement dE/dx|Q < dE/dx|q • corrections liées au rapport baryon/méson • certaines pertes d’énergie pas/mal prises en compte correctement ?
Expérience PHENIX au RHICQuarkonia • Étude du rapport de modification nucléaire RAA du J/ : • résultats au RHIC similaires à ceux du SPS • suppression séquentielle de type écrantage de couleur ? • intervention de l’hadronisation statistique ? • suppression plus importante à grande rapidité : en contradiction avec les prédic-tions de l’écrantage de couleur • Nécessité de mieux comprendre les effets nucléaires froids : shadowing / absorption nucléaire normale collisions d-Au (Run-8)
Run-3&4 Expérience PHENIX au RHICÉtude du continuum dimuon dans les collisions p-p [PHENIX-AN-488] • Stratégie d’analyse [S. Gadrat, Thèse de Doctorat de l’UBP, 2005] : • simulation des contributions avec Pythia : Drell-Yan, charme et beauté • passage dans la simulation complète de PHENIX spectre pDST • détermination des différentes formes : fonctions de forme • soustraction du bruit de fond : Nsgn = Ntot – Nbkg avec Nbkg = 2 N++ N-- • ajustement des données expérimentales avec comme paramètres libres la normalisation des différentes contributions :
Expérience PHENIX au RHICFonction de réponse différentielle pour les dimuons • Principe de la fonction de réponse différentielle en masse : • pour chaque bin en • masse du spectre Pythia • [M-dM/2 ; M+dM/2] : N(M) • détermination de la distri- • bution gaussienne au niveau • pDST : NM(m ; m,m) • probabilité de reconstruction : Probabilité de reconstruction Résolution en mase J/ 170 MeV/c2
Expérience PHENIX au RHICÉtude des incertitudes systématiques • Sources de systématiques : • instrumentales sur l’efficacité de reconstruction analyse J/ • sur les nombres d’événements rendus par l’ajustement • technique de soustraction du bruit de fond • brut versus fitté • mauvaise connaissance des fonctions de forme : PDF, mQ, …
Expérience PHENIX au RHICSections efficaces totales Section efficace totale pour un process donné : Section efficace inélastique p-p Nombre d’events donné par l’ajustement Acceptance géométrique Rapport de branchement en dimuon Efficacité de reconstruction Nombre d’events Minimum Bias Intervalle de détection en pseudo-rapidité Résultats :
Expérience PHENIX au RHICPerspectives pour l’analyse du continuum dimuon Travail poursuivi par G. Roche et des collègues de BARC (Inde) : • Analyse des données à plus haute statistique : Run-6 = 17 Run-3&4 • simulations refaites avec • le nouveau framework • beauté non contrainte • dans l’ajustement • évaluation des efficacités • pour obtenir les sections • efficaces • Comparaison des données à d’autres variables : pT Simulations avec l’ancien framework
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Expérience ALICE au LHCLe programme de physique du LHC • LHC : Large Hadron Collider • recherche du boson de Higgs, de la supersymétrie, de dimensions supplémentaires, … ATLAS et CMS • problématique de la violation de la symétrie CP dans le système des hadrons beaux LHCb (ATLAS et CMS) • étude de la QCD dans des conditions thermodynamiques extrêmes (QGP) • ALICE (ATLAS et CMS) Collisions Pb-Pb à sNN = 5.5 TeV collisions p-p à s = 14 TeV Complémentarité des expériences LHC pour la physique des saveurs lourdes
Expérience ALICE au LHCLe détecteur ALICE ALICE 1000 scientifiques de 80 instituts (30 pays) • Détecteurs globaux à grand : • déclenchement • centralité • Spectromètre à muons -4 -2.4 • tracking (1.1106 ch) : reconstruire les di-muons avec une résolution m = 100 MeV/c2 pour mµµ = 10 GeV/c2 • trigger (21103 ch) : déclencher sur des muons à moins de 1 kHz pour le L0 • Partie centrale • || 0.9 : • hadrons • électrons • photons
Expérience ALICE au LHCLe système de déclenchement du spectromètre à muons Sélection des muons par leur déviation qui est fonction de leur pT à 16 m du point d’interaction = 72 RPC • Collaboration entre : • INFN-Torino • LPC-Clermont • Subatech-Nantes et DaQ
Expérience ALICE au LHCLes RPCs • Chambres à plaques résistives ou Resistive Plate Chamber (RPC) : • 2 plaques de bakélite de 2 mm d’épaisseur ( 109 cm) • gap de gaz de 2 mm (avec 50% d’humidité relative) : • streamer = 51% Ar + 41% C2H2F4 + 7% iC4H10 + 1% SF6 • avalanche = 89.7% C2H2F4 + 10% iC4H10 + 0.3% SF6 • haute tension • streamer 8 kV • avalanche 10 kV • 20992 strips de lecture • plan (X,Z) 1, 2, 4 cm • plan (Y,Z) 2, 4 cm CERN Courier, Vol. 47, Dec. 2007
Probabilité de ‘‘déclenchement’’ d’un strip impact du muon sur la RPC Data MC xstr Expérience ALICE au LHCLa résolution spatiale des RPC [NIMA 490 (2002) 51] Étude de la résolution spatiale à l’aide de faisceaux tests du CERN-PS : en accord avec une loi uniforme w w / 12 pour des strips de largeur w Comparaison des tailles de clusters avec un Monte-Carlo basé sur la probabilité de déclenchement : implémentation dans AliRoot
Expérience ALICE au LHCL’électronique du système de déclenchement des muons Récupérer les 20992 signaux dans une fenêtre < 25 ns Décisions fournie au Central Trigger Processor (CTP) : 800 ns après la collision
RPC signal Expérience ALICE au LHCL’électronique frontale du système de déclenchement des muons (1) [ALICE-EN-2003-020] 10 mV Principe du circuit intégré ADULT : A DUaL Threshold 80 mV • 10 types de cartes : Front-End Boards (FEB) : • strips 1, 2, 4 cm en X et 2, 4 cm en Y • 2 stations homothétiques • 5 délais possibles pour des longueurs de câble différentes (entre 14 et 20 m)
Expérience ALICE au LHCL’électronique frontale du système de déclenchement des muons (2) [IEEE-TNS Vol. 52, August 2005] • Banc de test pour la production : • caractérisation des 3600 ASICs produits : • 6% HS initialement • 4% changés après câblage des FEBs • mesure d’une douzaine de para-mètres par voie sur les 2800 FEBs produites ( 10% réparées)
Temps de réponse des voies Largeur du signal de sortie Dispersion temporelle Amplitude du signal de sortie Expérience ALICE au LHCL’électronique frontale du système de déclenchement des muons (3) • Caractéristiques de la production initiale et de la production additionnelle ( 400 spares) : • temps de réponse moyen plus court : réglable à l’aide du potentiomètre sur les FEBs • largeur du signal de sortie plus petite : régla-ble par ajout d’un régulateur sur les FEBs • amplitude du signal de sortie similaire • dispersion temporelle entre les 8 voies d’un même ASIC identique
Expérience ALICE au LHCL’électronique frontale du système de déclenchement des muons (4) • Mesure de la dispersion du timing de l’électronique après installation : • utilisation du système de test • FET pour injecter des signaux • sur les FEBs • relecture à travers la chaîne • électronique complète : cartes • Local + Regional + DARC • variation de la phase d’horloge • des signaux FET par pas de 1 ns • test de 15/16 94% des Regional • crates et avec quelques cartes FEBs • manquantes • 2 voies HS / 20992 : problèmes de câbles 94% Plateau de réglage d’environ 12 ns
Expérience ALICE au LHCPerformances du système de déclenchement des muons (1)[ALICE-INT-2006-0002] [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] • Étude de l’efficacité de déclenchement pour les quarkonia à l’aide de simulations complètes utilisant des paramétrisations : • distributions en pT du Tevatron extrapolées au LHC à l’aide du CEM • distributions en rapidité du CEM AJ/ = 5.8% et A = 4.9% J/ = 71% Rejet de 87% du Bkg • Efficacités pour des muons qui touchent au moins 3 plans sur 4 : • pour le J/ avec une coupure pTµ 1 GeV/c • pour le avec une coupure pTµ 2 GeV/c = 88% Rejet de 96% du Bkg
b bmax pTµ 1 GeV/c pTµ 2 GeV/c Expérience ALICE au LHCPerformances du système de déclenchement des muons (2) • Simulation des principales sources de muons : • pions et kaons : paramétrisation de Hijing avec dNch/d|=0 = 5800 • saveurs lourdes : Pythia • quarkonia : c, J/, ’… b, , ’, ’’… Conditions expérimentales : • Lpp = 31030 cm-2s-1 avec pp = 70 mb à s = 14 TeV • LArAr = 51028 cm-2s-1 avec ArAr = 2700 mb à sNN = 8.8 TeV • LPbPb = 51026 cm-2s-1 avec PbPb = 7700 mb à sNN = 5.5 TeV 330 Hz 65 Hz Le taux de déclenchement en dimuons de signe opposé pour des événements MB est inférieurs à 1 kHz • fJ/ 1 Hz • pour pTµ 1 GeV/c • f 10-2 Hz • pour pTµ 2 GeV/c
Expérience ALICE au LHCÉtude du spectre en masse dimuon dans les collisions Pb-Pb • Spectre en masse dimuon attendu après 1 mois (106 s) de collisions Pb-Pb • [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] : • soustraction parfaite du bruit de fond non corrélé • ajustement global du spectre des dimuons corrélés • Grande statistique pour les hadrons beaux et le J/ • Statistique permettant d’étudier la famille du
[ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2006) 1295] Expérience ALICE au LHCSensibilité des quarkonia au QGP • À partir de la statistique attendue des quarkonia après 1 mois de collisions Pb-Pb : étude de la sensibilité à différents scénarii de QGP • Suppression-1 : ‘quenched QCD’ = QGP de gluons avec Tc = 270 MeV • Suppression-2 : ‘unquenched QCD’ = QGP de quarks et de gluons avec Tc = 190 MeV Incertitudes statistiques
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Conclusions et perspectivesBilan des expériences au RHIC depuis 2000 • L’état initial semble saturé en gluons : Color Glass Condensate ? • La densité d’énergie initiale 0 15 GeV/fm3 à 0 0.35 fm/c extrapolée à l’équilibre thermique th 0.8 fm/c par les modèles hydro- dynamiques donne : • () = (0/)4/3 0 • th 5 GeV/fm3 >> CNM • soit Tth 200 MeV > Tc • La suppression des hadrons de haut pT et le flow elliptique indiquent que le système initial se caractérise par ses degrés de liberté partoniques • L’analyse des énergies à la température Tth indique que le système est fortement couplé : strongly interacting Quark-Gluon Plasma (sQGP) = fluide parfait (sans viscosité)
BNL-77334-2006-IR, http://www.bnl.gov/physics/rhicIIscience/ Conclusions et perspectivesQuestions en suspend après RHIC • Nécessité de mieux comprendre les processus à petits x : physique du CGC • Approfondir la compréhension du phénomène de perte d’énergie partonique dans un milieu déconfiné à l’aide de corrélations -jet • Élucider la perte d’énergie des quark lourds : prédiction dE/dx|q > dE/dx|Q alors qu’expérimentalement RAAe RAAhadrons • Origine de la suppression des J/ dans les collisions Au-Au : shadowing, absorption nucléaire normale, écrantage de couleur, hadronisation statistique ? • Existence d’un point critique dans le diagramme de phase de QCD ? • … Améliorations de la luminosité du RHIC ainsi que des détecteurs PHENIX et STAR
Conclusions et perspectivesLes perspectives au LHC • Conditions thermodynamiques extrêmes : favorables à la production d’un QGP de grand volume et de grande durée de vie • Étude combinée des différentes signatures de formation d’un QGP avec la même instrumentation : ALICE = STAR PHENIX • Production abondante de saveurs lourdes : possibilité d’une étude approfondie des états de la famille du avec une bonne séparation des différents états à l’aide du spectromètre à muons de l’expérience ALICE • Accès à de très petits x : étude détaillée de la physique du CGC • … et tous les résultats inattendus [ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2004) 1517] 10-5
« I found my experience in the laboratory so traumatic that I concluded that theory is the easier part of physicists game ! » Pierre-Gilles de Gennes EurophysicsNews, July/August 2003, p.158