View
104
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
21/11/2002 YS 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
21/11/2002 YS 2
Transitions de phase de la matière nucléaire
Au-delà d’environ 31012 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
qqq
qqq
qqq qqqq q
q
q
q
qq q
q
q q
qqqqqqq
q
q
q qq
q
qqqq
qqq
q
q
q
21/11/2002 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)
QCDeV > GeV/fm3) quarks (masse libre) interaction forte
21/11/2002 YS 4
Thermodynamique de la matière nucléaire
température
pre
ssio
n
glace
vapeur
liquidepoint critique
point triple
H2O
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)
21/11/2002 YS 5
Diagramme de phase de la matière nucléaire
Paramètres de contrôle: Température (T[MeV]) ou densité d’énergie ([MeV/fm3]) Densité baryonique ([baryons/fm3]) ou potentiel chimique
baryonique (B[MeV])
(T,V,) = E-TS-B: augmentation de l’énergie quand B B+1B (T,) = B/V : densité baryonique (équation d’état)
21/11/2002 YS 6
Diagramme de phase de la matière nucléaire
Ene
rgy
dens
ity
(MeV
/fm
3 )
21/11/2002 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
21/11/2002 YS 8
QCD sur réseau : formation du plasma
Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres
=0
•Augmentation brutale de à Tc 170 MeV (c 700 MeV/fm3).• Plateau à 80% limite SB.• Comportement indépendant de NF et mq ; ms Tc.
mu= md = ms
mu = md
mu = md ; ms mu,d
Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T)
21/11/2002 YS 9
QCD sur réseau : gaz parfait
Prédiction Stephen-Boltzmann pour un gaz de particules libres
• 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 (s 0).
mu= md = ms
mu = md
mu = md ; ms mu,d
Saveurs lourdes supprimées exp(-mc,b,t/T)
=0
21/11/2002 YS 10
QCD sur réseau : symétrie chirale
• T Tc symétrie chirale brisée; énergie d’une source de couleur isolée diverge (confinement).• T Tc symétrie chirale restaurée; couleur déconfinée dans le plasma.
0LR + RL0 0
Nombre de paires qq dans le vide QCD
L exp(-fq/T) ; fq énergie libre
=0
21/11/2002 YS 11
Diagramme de phase : état des lieux
Ordre de la transition:• B= 0 : crossover (mu,d 0 0)• B 0 : 1er ordre
Points expérimentaux: conditions thermodynamiques au moment du gel des interactions entre hadrons
21/11/2002 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 t10 minutes.C
ollis
ion
s Io
ns
Lou
rds
21/11/2002 YS 13
Matière nucléaire à haute température
De la matière à T = O(1012 K) Collisions d’ions lourds à des énergies relativistes
AGS (1980)2 GeV
SPS (1990)18 GeV
RHIC (2000)200 GeV
LHC (2007)5500 GeV
21/11/2002 YS 14
L’ère des collisionneurs
<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
550020017s1/2(GeV)
LHCRHICSPSCentral collisions
ALICE
• Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) ,• Plus longtemps, • Nouvelles sondes: jets, , Q, Z, W• Un nouveau domaine en x (QSA1/3/x, CGC)
21/11/2002 YS 15
Collisions d’ions lourds Exploration dynamique du diagramme de phase
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=0y
B
-1 0 +1
21/11/2002 YS 16
Collisions d’ions lourds Densité d’énergie
(=t2-z2) = 1/A dET/d =0=
dy
dE
2τ
1
R π
1ε T
0
2
dE
T/d
SPS
3.2 GeV/fm3
De la matière est formée au-delà des conditions critiques
sNN=18 GeV
21/11/2002 YS 17
Collisions d’ions lourds Densité d’énergie
(=t2-z2) = 1/A dET/d =0=
dy
dE
2τ
1
R π
1ε T
0
2
RHIC
5+ GeV/fm3
De la matière est formée au-delà des conditions critiques
sNN=130 GeV
21/11/2002 YS 18
Collisions d’ions lourds Densité baryonnique
sNN=18 GeV
Rapidité
d B
/dy
Densité baryonnique nette en forte diminution
21/11/2002 YS 19
Collisions d’ions lourds Densité baryonnique
0.8YY
YYY
Trpair
pair
p
p
L’état final n’est pas exclusivement issu de la désexcitation du QGP
21/11/2002 YS 20
Evolution spatio-temporelle de la collision
e
espace
Temps
AuAu
E
xpan
sion
Hadronisation t 5 fm/c
Gel chimique; Tc 170 MeV
p K
Gel thermique t 100 fm/cTf 100 MeV
QGP t 0.5 fm/c
e jet
Pre-équilibre
21/11/2002 YS 21
Boltzmann: dN/dmt exp(-mt/T)
Collisions d’ions lourds Équilibre thermique
Les conditions thermodynamiques sont déterminées à partir des hadrons émis au moment du gel thermique
21/11/2002 YS 22
Collisions d’ions lourds Équilibre chimique
Les hadrons sont formés en équilibre chimique !
Température et écoulement collectif
21/11/2002 YS 23
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
99.5%
21/11/2002 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
21/11/2002 YS 25
Au+Au à sNN = 130 GeV
Collision périphérique
21/11/2002 YS 26
Au+Au à sNN = 130 GeV
Collision semi-centrale
21/11/2002 YS 27
Au+Au à sNN = 130 GeV
Collision centrale
21/11/2002 YS 28
Pb+Pb à sNN = 5.5 TeV
21/11/2002 YS 29
Multiplicité des hadrons dans l’état finalAA=pp + O(milieu)
dNch/d ~ 2500
• pph plus efficace dans le milieu que dans le vide
• Q2S = N/R2
A
• Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000)
21/11/2002 YS 30
Écoulement collectif : dynamique initiale
x
z
y
y
x
hadron
pt2pt1tttt
2cosb;y,pv2cosb;y,pv21dmdymbdN
21
ddmdymbdN
Mesure:• réponse du système à la pression initiale• capacité du système à transformer anisotropie spatiale en anisotropie en moment
21/11/2002 YS 31
Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale anisotropie des moments
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/
S SM M
temps
21/11/2002 YS 32
Distillation d’étrangeté
Contenu en étrangetéContenu en étrangeté
Rap
port
s B
/BR
ap
port
s B
/B
STAR preliminary
• gg ss• SB ms 0• Blocage de Pauli u,d
21/11/2002 YS 33
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
q
q
e-
e+
e-
e+
q
qg
photons low mass dileptons
QGP :
hadron gas :
ther
mom
ètre
modification
des mésons par milieu
, J/l+l-
21/11/2002 YS 34
Photons directs au SPS : thermomètre
... au-delà d‘une superposition de collisions pp
+ effets nucléaires dans l‘état initial
+ production thermique (QGP+HG) T = 200-335 MeV
Difficile, mais signal important attendu à RHIC et au LHC
21/11/2002 YS 35
Dissolution du méson
Modification de la fonction spectrale du méson par le milieu :• effet dynamique• restauration partielle S
21/11/2002 YS 36
Dissociation du cc
Drell-Yann est la référence
Suppression normale
Suppression(s) anormale(s)
cc c
c
c
cÉcrantage de couleur
gg cc lors de la thermalisation
Énergie transverse (GeV)
J/+-
/Dre
ll -Yan
21/11/2002 YS 37
Dissociation du cc et bb thermomètre
Les états des quarkonia sont dissous à différentes températures
21/11/2002 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/ ?
21/11/2002 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
21/11/2002 YS 40
Observation des jetsJet event in eecollision
STAR Au+Au (jet?) event
21/11/2002 YS 41
Observation des jetscorrélation entre hadrons de grand pt
21/11/2002 YS 42
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
21/11/2002 YS 43
Perte d’énergie des particules dominantes
Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nucléaire de S modification Dz
milieu
pT ou xT ?
RAA d 2N AA dydpT
d 2N pp dydpT NcollAA
21/11/2002 YS 44
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
21/11/2002 YS 45
Désalignement des jets opposés
Suppression des corrélations opposées par rapport à pp : jet quenching ?
21/11/2002 YS 46
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
21/11/2002 YS 47
Jets au LHC
Grand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique
jet
Collision axis
21/11/2002 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=17315 et = 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 (restauration symétrie chirale) L’émission de photons thermiques (rayonnement du QGP) La distillation d’étrangeté (hadronisation par production de paires)
21/11/2002 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)
21/11/2002 YS 50
L’ère des collisionneurs
<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
550020017s1/2(GeV)
LHCRHICSPSCentral collisions
ALICE
• Plus chaud et B 0 (QCD/réseau), • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) ,• Plus longtemps, • Nouvelles sondes: jets, , Q, Z, W• Un nouveau domaine en x (QSA1/3/x, CGC)
21/11/2002 YS 51
Expansion velocity
~ 0.5 c at SPS~0.7 at RHIC
at SPS??? at RHIC
B ~ 50 at RHIC
B ~ 250 at SPS s ~ 1 at RHIC
s ~ 0.8 at SPS
jets
Recommended