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Transitions de phase de la matière nucléaire

Transitions de phase de la matière nucléaire. Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire Formation et étude de la matière nucléaire déconfinée. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q. q.

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Presentation Transcript

  1. Transitions de phase de la matière nucléaire Exploration du diagramme de phase de la matière nucléaire Formation et étude de la matière nucléaire déconfinée YS

  2. q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q Transitions de phase de la matière nucléaire Au-delà d’environ 31012 K, QCD, la théorie qui décrit les particules en interaction forte, prédit que la matière nucléaire subit une transition de phase pour former un plasma des constituants élémentaires de la matière … • Thermodynamique de la matière nucléaire • Les collisions d’ions lourds aux énergies ultra relativistes • Du SPS au RHIC, en attendant le LHC YS

  3. Thermodynamique de la matière nucléaire • Dépendance des propriétés de la matière avec (T,P), étudiée comme une conséquence de la structure en quarks de la matière: • 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. • Tester l’interaction forte à l’échelle QCD (déconfinement et symétrie chirale) T  LQCD  200 MeV(e > GeV/fm3) quarks (masse libre)interaction forte YS

  4. Thermodynamique de la matière nucléaire • Diagramme des phases en fonction de paramètres de contrôle (conditions externes) •  (Tc, Pc): transition de phase du 1er ordre (discontinuité dans S, V) • = (Tc, Pc): transition de phase du 2eme ordre (discontinuité dans Cp, T) •  (Tc, Pc): changement de phase crossover (les variables thermodynamiques varient rapidement) H2O pression point critique liquide glace point triple vapeur température YS

  5. Diagramme de phase de la matière nucléaire • Paramètres de contrôle: • Température (T[MeV]) ou densité d’énergie (e[MeV/fm3]) • Densité baryonique (r[baryons/fm3]) ou potentiel chimique baryonique (mB[MeV]) • (T,V,m) = E-TS-mB • : augmentation de l’énergie quand B B+1 rB (T,m) = B/V : densité baryonique (équation d’état) YS

  6. Diagramme de phase de la matière nucléaire Energy density (MeV/fm3) YS

  7. QCD à haute température • 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 YS

  8. QCD sur réseau : formation du plasma m=0 Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres mu= md = ms mu = md mu = md ; ms mu,d Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T) • Augmentation brutale de e à Tc 170 MeV (ec 700 MeV/fm3). • Plateau à e 80% limite SB. • Comportement indépendant de NF et mq ; ms  Tc. YS

  9. QCD sur réseau : gaz parfait m=0 Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres mu= md = ms mu = md mu = md ; ms mu,d Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T) • T 3Tc pression très en-dessous limite SB, interaction forte entre q, q et g persite dans le plasma. • T  Tc (LHC) gaz parfait de quantas QCD (as  0). YS

  10. QCD sur réseau : symétrie chirale m=0   0LR +RL0  0 Nombre de paires qq dans le vide QCD L  exp(-fq/T) ; fq énergie libre • TTc symétrie chirale brisée; énergie d’une source de couleur isolée diverge (confinement). • T  Tc symétrie chirale restaurée; couleur déconfinée dans le plasma. YS

  11. Diagramme de phase : état des lieux • Ordre de la transition: • mB= 0 : crossover (mu,d 0   0) • mB 0 : 1er ordre • Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons YS

  12. Matière nucléaire à haute température • De la matière à T = O(1012K) • Univers primordial (matière relativiste) : R  T-1  t1/2 • La matière existait sous forme de QGP à t=10-5-10-4 s après le Big Bang. • Transition de phase s’accompagne de la formation de bulles hadroniques  abondance relative des éléments légers à t10 minutes. Collisions Ions Lourds YS

  13. Matière nucléaire à haute température • De la matière à T = O(1012K) • Collisions d’ions lourds à des énergies relativistes LHC (2007) 5500 GeV RHIC (2000) 200 GeV SPS (1990) 18 GeV AGS (1980) 2 GeV YS

  14. 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 YS

  15. Gel des collisions à Tf; rB  0 à y1 rB -1 0 +1 y Hadronization par création qq rB= 0 à y=0 Thermalisation des partons libérés pz pT Libération de partons dans collisions inélastiques NN Noyaux aplatis par la contraction de Lorentz Collisions d’ions lourdsExploration dynamique du diagramme de phase YS

  16. 3.2 GeV/fm3 dET/dh SPS De la matière est formée au-delà des conditions critiques h Collisions d’ions lourdsDensité d’énergie e (t=t2-z2) = 1/tA dET/dhh=0= sNN=18 GeV YS

  17. 5+ GeV/fm3 RHIC De la matière est formée au-delà des conditions critiques Collisions d’ions lourdsDensité d’énergie e (t=t2-z2) = 1/tA dET/dhh=0= sNN=130 GeV YS

  18. sNN=18 GeV drB/dy Rapidité Collisions d’ions lourdsDensité baryonnique Densité baryonnique nette en forte diminution YS

  19. Collisions d’ions lourdsDensité baryonnique L’état final n’est pas exclusivement issu de la désexcitation du QGP YS

  20. p L p K f e jet m g Gel thermique t  100 fm/c Tf100 MeV Hadronisation t  5 fm/c Gel chimique; Tc170 MeV QGP t  0.5 fm/c Pre-équilibre Au Au Evolution spatio-temporelle de la collision Temps g e  Expansion  espace YS

  21. Collisions d’ions lourdsÉquilibre thermique Les conditions thermodynamiques sont déterminées à partir des hadrons émis au moment du gel thermique Boltzmann: dN/dmt exp(-mt/T) YS

  22. Collisions d’ions lourdsÉquilibre chimique Température et écoulement collectif Les hadrons sont formés en équilibre chimique ! YS

  23. 99.5% Diagnostiquer l ’état de la matière (1)Les sondes molles : production thermique de hadrons • Multiplicité • Spectre • Corrélations à 2 particules (HBT) • Composition chimique de l ’état final : distillation de S • Écoulement collectif des particules YS

  24. Les défis • Techniques :  détecteurs + déclenchement + analyse • Identifier les traces de 700 (8000 au LHC) particules par unité de rapidité • Les sondes intéressantes sont rares (production, mode de décroissance) • Physiques :  théorie + phénoménologie • Des effets purement hadroniques peuvent être confondus avec des effets dus au QGP • Les effets nucléaires modifiant l’état initial et final doivent être connus : e+e- pp  pA  AA1,2 YS

  25. Au+Au à sNN = 130 GeV Collision périphérique YS

  26. Au+Au à sNN = 130 GeV Collision semi-centrale YS

  27. Au+Au à sNN = 130 GeV Collision centrale YS

  28. Pb+Pb àsNN = 5.5 TeV YS

  29. Multiplicité des hadrons dans l’état finalAA=Spp + O(milieu) dNch/dh ~ 2500 • pph plus efficace dans le milieu que dans le vide • Q2S = N/R2A • Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000) YS

  30. z y x Écoulement collectif : dynamique initiale y hadron f x • Mesure: • réponse du système à la pression initiale • capacité du système à transformer anisotropie spatiale en anisotropie en moment YS

  31. Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale  anisotropie des moments S M S M temps • 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 YS

  32. STAR preliminary Rapports B/B Contenu en étrangeté Distillation d’étrangeté • gg  ss • SB ms  0 • Blocage de Pauli u,d YS

  33. photons low mass dileptons hadron gas : e- p r* g* e+ p QGP : g q e- q g q p p q e+ r g Diagnostiquer l ’état de la matière (2)Les sondes pénétrantes • Produites dans la phase thermalisée et sans interaction forte dans l’état final: • Photons réelles • Photons virtuels thermomètre modification des mésons par milieu r, J/l+l- YS

  34. ... au-delà d‘une superposition de collisions pp + effets nucléaires dans l‘état initial + production thermique (QGP+HG) T = 200-335 MeV Photons directs au SPS : thermomètre Difficile, mais signal important attendu à RHIC et au LHC YS

  35. Dissolution du méson r • Modification de la fonction spectrale du méson r par le milieu : • effet dynamique • restauration partielle S YS

  36. c c c c c c Écrantage de couleur Suppression normale Suppression(s) anormale(s) Dissociation du cc J/+-/Drell-Yan gg  cc lors de la thermalisation Drell-Yann est la référence Énergie transverse (GeV) YS

  37. Dissociation du cc et bb thermomètre Les états des quarkonia sont dissous à différentes températures YS

  38. … mais • beaucoup de cc (100) dans NN indépendants, • D+D  J/+X • B  J/ • effets nucléaires (shadowing, quenching) Augmentation ou Suppression du J/ ? YS

  39. Diagnostiquer l ’état de la matière (3)Les sondes dures : diffusion élastique q et g à grand Q2 • Diffusion de q,g à grand pt dans phase initiale • Atténuation ( dE/dx) lors du passage dans la matière YS

  40. Jet event in e+e-collision STAR Au+Au (jet?) event Observation des jets YS

  41. Observation des jets corrélation entre hadrons de grand pt YS

  42. Particule dominante hadrons hadrons Particule dominate Perte d’énergie des q,g dans le milieu • Observables : • perte d’énergie des particules dominantes • désalignement des jets opposés YS

  43. Perte d’énergie des particules dominantes Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification Dzmilieu pT ou xT ? YS

  44. Perte d’énergie des particules dominantes SPS RAA 1 : effet nucléaire dans l’état final (effet Cronin) YS

  45. Désalignement des jets opposés Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ? YS

  46. 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 YS

  47. jet Collision axis g Jets au LHC Grand pTaugmentent plus rapidement que le fond thermique YS

  48. Le QGP en bref • Des calculs LQCD de plus en plus réalistes et précis prédisent une changement de phase vers de la matière déconfinée et la restauration de la symétrie chirale à T=17315 et e = 0.7 GeV/fm3 • Les données collectées dans les collisions d’ions lourds indiquent : • Au SPS les conditions critiques sont atteintes et certaines signatures sont compatibles avec la formation d’un QGP: • Suppression du J/ (écrantage de couleur) • Dissolution du méson r (restauration symétrie chirale) • L’émission de photons thermiques (rayonnement du QGP) • La distillation d’étrangeté (hadronisation par production de paires) YS

  49. Le QGP en bref • Au RHIC ces observations sont confirmées et plus de précisions sont apportées : • La matière est en équilibre chimique et thermique au-delà de Tc • Il persiste une composante baryonique à mi-rapidité • La production de jets est observée (détectable) • …et permet de diagnostiquer la nature du milieu chaud (tomographie) • Plus à venir : quarkonia, photons directs, quarks lourds • Le futur au LHC apparaît excitant, même si lointain • Un plasma plus chaud, plus longtemps • Formation d’un gaz parfait de quanta QCD • Production de hadrons dominés par la fragmentation de jets • Un domaine inexploré à petit x (saturation, QCD classique, CGC) YS

  50. 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 YS

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