Les phases de la matière nucléaire

1. Les phases de la matière nucléaire Exploration du diagramme de phase : La transition liquide-gaz La matière baryonique comprimée Le plasma de quarks et de gluons Journées Prospectives

2. Pourquoi ?Une prolongation du Modèle Standard • Appliquer MS aux systèmes complexes, de tailles finies et en évolution dynamique : • 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. • La physique des IL, en étudiant la matière nucléaire chaude et dense, répond à cette question dans le secteur de l’interaction forte. Journées Prospectives

3. Pourquoi ?Une prolongation du Modèle Standard • La physique des IL crée de la matière nucléaire dans des conditions loin de son état d’équilibre pour tester l’interaction forte à diverses échelles : • T  LQCD  200 MeV(e > GeV/fm3)  partons interaction forte ; • T  10 MeV  nucléons  interaction nucléaire. Journées Prospectives

4. Comment ?Une approche interdisciplinaire • Les principes en jeu : • Physique nucléaire ; • Physique des particules élémentaires ; • Thermodynamique et hydrodynamique de systèmes mésoscopiques chauds et denses. Journées Prospectives

5. Les défis • Expérimentaux : • Déterminer les observables sensibles ; • Extraire les signatures des événements sous-jacents ; • Corréler les signatures ; • Déconvoluer les effets de la dynamique… • Théoriques : • Faire le lien entre les principes premiers (équilibre) et l’environnement réel de l’expérience (hors équilibre) phénoménologie. Journées Prospectives

6. Une stratégie • Une transition de phase, dans le monde macroscopique, se manifeste par des transformations abruptes des propriétés du système. • Chercher des modifications rapides des propriétés du système nucléaire avec l’évolution de variables globales caractérisant la collision IL. Journées Prospectives

7. INDRA Le diagramme de phase Transition liquide-gaz Journées Prospectives

8. Transition liquide-gaz • Le noyau : la phase la mieux connue de la matière nucléaire • Nucléons liés par la force nucléaire • Similarité Vnn et forces de Van der Waals • T > Tc, r < rc : transition de phase (gaz réel, 1er ordre) Liquide (matière nucléaire dans noyau) Gaz (matière de nucléons non liés) Journées Prospectives

9. Transition liquide-gaz :Équation d’État • Région de coexistence liquide-gas • Région spinodale : instabilité mécanique, amplification des fluctuations EOS Journées Prospectives

10. Transition liquide-gaz :chauffer le noyau • Varier les paramètres de la voie d’entrée: AA (>40), Ecin (30A MeV-1000A MeV) • Sélectionner les événements selon variables globales: b, Mch, Et, TKE, angle d’écoulement,… Journées Prospectives

11. Transition liquide-gaz :paramètres d’ordre • Énergie d’excitation : calorimétrie • Température(s) : • Pentes des spectres des particules chargées légères ou des photons (équilibre cinétique) • Population relative état excité / état fondamental d’un même isotope (équilibre thermique) • Population doublement relative d’isotopes (équilibre thermique & chimique) INDRA Journées Prospectives

12. Transition liquide-gaz :calibrage des thermomètres Modèle statistique + décroissance séquentielle + tailles finies des sondes Tvraie Tpente Température apparente (MeV) T2rapport(6Li/7Li)/(3He/4He) T1rapport(6Li*/6Li) Énergie d’excitation (MeV/nucléon) Journées Prospectives

13. Transition liquide-gaz :calibrage du thermomètre photon Température apparente (MeV) Énergie d’excitation (MeV/nucléon) Mesure de la température maximum du système Journées Prospectives

14. Énergie d’excitation 3-8A MeV > 8A MeV < 3A MeV Transition liquide-gaz :état final Journées Prospectives

15. TAPS Transition liquide-gaz :courbe caloriqueUne « vraie » fausse signature Mesures plus exclusives, à volume constant (corrélations) H(enthalpie) = U(énergie interne) + PV (énergie élastique) Journées Prospectives

16. Transition liquide-gaz : C(capacité calorifique) < 0Un apport d’énergie refroidit le système • L’apparition de C<0 est prédite (approche microcanonique) dans de petits systèmes lors d’une transition de phase du premier ordre; • Mesure de C : • E* = Ecinétique + Epotentielle(Coulomb+excès de masse) • Mesure des fluctuations s2 de Ecinétique : C<0 si As2 > CkT2 Journées Prospectives

17. Transition liquide-gaz : C(capacité calorifique) < 0Une observation sans ambiguïté • Preuve directe d’une transition de phase liquide-gaz du premier ordre • Mais modèle pour remonter au temps de gel Journées Prospectives

18. 10 5 0 Transition liquide-gaz :dynamiqueorigine dynamique des fragments Cassure dynamique du système lors de son passage dans la région spinodale (transition 1er ordre) Journées Prospectives

19. Transition liquide-gaz :dynamiqueun chronomètre Mg/Atot Mg = Rg(T) Vs ts Temps (fm/c) Température (MeV) Température (MeV) Journées Prospectives

20. Transition liquide-gaz :dynamiqueorigine des fragments ???? • BOB : • Equation de transport • + champ moyen • + Inn • + dI • SMM (probabilité des partitions à l’équilibre statistique) : • fragments distribués aléatoirement dans le volume au temps de gel • + décroissance séquentielle • + expansion radiale Journées Prospectives

21. S D Transition liquide-gaz :dynamiquedécomposition spinodale ! • Corrélation (DZ=0, Z=15) signale la partition de la fragmentation au moment du gel, caractéristique de l’interaction nucléaire • La dynamique est suffisamment chaotique pour explorer un grand domaine de l’espace de phase et valiser l’approche statistique Journées Prospectives

22. Le diagramme de phase Matière baryonique dense FOPI Journées Prospectives

23. Matière baryonique dense • Déterminer l’EOS : r  2-5r0, T > 0 • Écoulement (elliptique) collectif des particules (accumulation de pression dans la phase initiale de la collision) • Production de particules très en-dessous du seuil (accumulation d’énergie dans une cascade de collisions NN) Journées Prospectives

24. Matière baryonique denserestauration de la symétrie chirale • Formation des hadrons dans un milieu dense : S(h)=S(nqvalence)+S(qqmer)+S(g) Mh > Si=1,nMq Sr(qqmer) < S vide(qqmer) • Dissolution des hadrons dans le milieu (HADES) Journées Prospectives

25. Matière baryonique densesupra conducteur de couleur ? • A très haute densité de toutes nouvelles phases (supraconducteur, structure cristalline) mais T dans IL aura tendance a faire fondre ces structures ! • Ces états sont a chercher dans les systèmes astrophysiques (explosion de super nova, objets stellaires compacts) Journées Prospectives

26. Le diagramme de phaseMatière partonique Journées Prospectives

27. Matière partoniqueFaits marquants • 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 Journées Prospectives

28. Matière partoniqueFaits marquants • mB 0 • Transition 1er ordre • Point critique • Tc170 MeV, mq0, Nf=2,3 • Ordre de la transition : cross over • ec 0.3-1.3 GeV/fm3 Journées Prospectives

29. Matière partoniqueFaits marquants • 10 Février 2000 : «  … SPS … a new state of matter where quarks and gluons are not confined » • Juin 2000 RHIC : Au+Au sNN = 130 GeV • Mars 2001 RHIC : Au+Au sNN = 200 GeV • Avril 2007 LHC : Pb+Pb sNN = 5.5 TeV Journées Prospectives

30. Un événement Pb-Pb @ SPS (NA49) sNN = 17 GeV Journées Prospectives

31. Un événement Au-Au @ RHIC (STAR) sNN = 130 GeV STAR Journées Prospectives

32. Un événement Pb-Pb @ LHC (ALICE) sNN = 5.5 TeV Journées Prospectives

33. Central collisions SPS RHIC LHC s1/2(GeV) 17 200 5500 dNch/dy 500 650 3-8 x103 e (GeV/fm3) 2.5 3.5 15-40 Vf(fm3) 103 7x103 2x104 tQGP (fm/c) <1 1.5-4.0 4-10 t0 (fm/c) ~1 ~0.5 <0.2 L’ère des collisionneurs • Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) , • Plus longtemps, • Nouvelles sondes: jets, g, Q, Z, W • Un nouveau domaine en x (QSA1/3/xd, CGC) ALICE Journées Prospectives

34. Les observablesdeux expériences : ALICE & CMS • ALICE, l’expérience dédiée IL mise sur un PID unique qui s’appuie sur : • une trajectographie très performante permettant l’identification de vertex secondaires, • la spectrométrie haute résolution des e, m, g • CMS, est optimisé pour l’identification des leptons et jets à grands PT avec : • une calorimétrie excellente • et une très grande acceptance Journées Prospectives

35. Les observables globalesmultiplicité dNch/dh ~ 2500 • pph plus efficace dans le milieu que dans le vide • Q2S = N/R2A • Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000) Journées Prospectives

36. STAR 99.5% Spectres de particules • Hadrons mous dominent, témoins de la phase tardive (temps de gel) • Les caractéristiques de leur distribution dans l’espace de phase (Tf, mf, flots, HBT, EbE fluctuations,…) permet de remonter aux étapes ultérieures • Des hadrons de grand pT, fragments de partons (?) Journées Prospectives

37. Équilibre cinétique et chimique • Hypothèse thermodynamique : les hadrons naissent en équilibre chimique … • Ou population statistique de l’espace de phase ? Journées Prospectives

38. 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/e Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale  anisotropie des moments Journées Prospectives

39. leading particle suppressed leading particle hadrons hadrons q q q q hadrons hadrons leading particle suppressed leading particle Les sondes durestomographie par jets Dans le milieu, le parton perd de l’énergie selon la densité du milieu : Jet : Fragmentation d’un parton diffusé par processus dur en des hadrons colimatés dans un cône Journées Prospectives

40. A P Atténuation des hadrons de grand pT Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification Dzmilieu pT ou xT ? Journées Prospectives

41. Premières observations de jets dans AA Perte de b2b: désalignement, atténuation Journées Prospectives

42. 100 GeV Di-Jet in pp Les Jets au LHC 30-50 GeV 50-80 GeV pT > 2 GeV/c 80-120 GeV 120-170 GeV Hadrons de fragmentation 170-230 GeV 230-330 GeV Fond sous-jacent 330-440 GeV 440-600 GeV 0 < pT < 50 GeV/c Journées Prospectives

43. Les Jets au LHC Grand pTaugmentent plus rapidement que le fond thermique Journées Prospectives

44. g, Z0 Étiquetage des jets par g ou Z0 Journées Prospectives

45. Écrantage de couleur c c c c c c Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertes Différents états sont dissous à différentes températures Journées Prospectives

46. Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertes Suppression normale Suppression(s) anormale(s) Drell-Yann est la référence Journées Prospectives

47. Les Quarks lourdscharmonium au LHC • beaucoup de cc (100) dans NN indépendants, • D+D  J/+X • B  J/ • effets nucléaires (shadowing, quenching) Augmentation ou Suppression du J/ ? Journées Prospectives

48. Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICE Canal +  - 2.5 < h < 4 Journées Prospectives

49. Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICE Canal e+ e – -0.5 < h < 0.5 J/  , ’, “ Journées Prospectives

50. Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B • Perte d’énergie dans le milieu dense • Principale source de bruit dans +  - et e+ e – • Décroissance hadronique masque la production primordiale de J/ ALICE offre plusieurs méthodes d’identification Journées Prospectives