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Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes

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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  1. 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)

  2. } 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6.  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

  7. 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)

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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)

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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 ?

  19. 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)

  20. 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 :

  21. 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

  22. 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, …

  23. 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 :

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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 (1.1106 ch) : reconstruire les di-muons avec une résolution m = 100 MeV/c2 pour mµµ = 10 GeV/c2 • trigger (21103 ch) : déclencher sur des muons à moins de 1 kHz pour le L0 • Partie centrale • ||  0.9 : • hadrons • électrons • photons

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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

  32. 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)

  33. 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)

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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 = 31030 cm-2s-1 avec pp = 70 mb à s = 14 TeV • LArAr = 51028 cm-2s-1 avec ArAr = 2700 mb à sNN = 8.8 TeV • LPbPb = 51026 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

  38. 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 

  39. [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

  40. 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 détecteurs 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

  41. 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)

  42. 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

  43. 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

  44. « 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

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