Les phases de la matière nucléaire

Les phases de la matire nuclaireExploration du diagramme de phase : La transition liquide-gaz La matire baryonique comprime Le plasma de quarks et de gluons

Journes Prospectives

Pourquoi ?Une prolongation du Modle StandardAppliquer MS aux systmes complexes, de tailles finies et en volution dynamique :Comment les phnomnes collectifs et les proprits macroscopiques de systmes mettant en jeu un grand nombre de degrs de libert dcoulent des lois microscopiques de la physique des particules.La physique des IL, en tudiant la matire nuclaire chaude et dense, rpond cette question dans le secteur de linteraction forte.


Pourquoi ?Une prolongation du Modle StandardLa physique des IL cre de la matire nuclaire dans des conditions loin de son tat dquilibre pour tester linteraction forte diverses chelles : T LQCD 200 MeV (e > GeV/fm3) partons interaction forte ;T 10 MeV nuclons interaction nuclaire.


Comment ?Une approche interdisciplinaireLes principes en jeu : Physique nuclaire ;Physique des particules lmentaires ;Thermodynamique et hydrodynamique de systmes msoscopiques chauds et denses.


Les dfisExprimentaux :Dterminer les observables sensibles ;Extraire les signatures des vnements sous-jacents ;Corrler les signatures ;Dconvoluer les effets de la dynamiqueThoriques :Faire le lien entre les principes premiers (quilibre) et lenvironnement rel de lexprience (hors quilibre) phnomnologie.


Une stratgieUne transition de phase, dans le monde macroscopique, se manifeste par des transformations abruptes des proprits du systme.

Chercher des modifications rapides des proprits du systme nuclaire avec lvolution de variables globales caractrisant la collision IL.


Le diagramme de phase

Transition liquide-gaz


Transition liquide-gazLe noyau : la phase la mieux connue de la matire nuclaireNuclons lis par la force nuclaireSimilarit Vnn et forces de Van der WaalsT > Tc, r < rc : transition de phase (gaz rel, 1er ordre)

Liquide (matire nuclaire dans noyau) Gaz (matire de nuclons non lis)


Transition liquide-gaz : quation dtat Rgion de coexistence liquide-gas

Rgion spinodale : instabilit mcanique, amplification des fluctuations


Transition liquide-gaz : chauffer le noyau Varier les paramtres de la voie dentre: AA (>40), Ecin (30A MeV-1000A MeV) Slectionner les vnements selon variables globales: b, Mch, Et, TKE, angle dcoulement,


Transition liquide-gaz : paramtres dordrenergie dexcitation : calorimtrieTemprature(s) :Pentes des spectres des particules charges lgres ou des photons (quilibre cintique) Population relative tat excit / tat fondamental dun mme isotope (quilibre thermique)Population doublement relative disotopes (quilibre thermique & chimique)INDRA


Transition liquide-gaz : calibrage des thermomtres TvraieTpenteT2rapport(6Li/7Li)/(3He/4He)T1rapport(6Li*/6Li)nergie dexcitation (MeV/nuclon)Temprature apparente (MeV)Modle statistique + dcroissance squentielle + tailles finies des sondes


Transition liquide-gaz : calibrage du thermomtre photonnergie dexcitation (MeV/nuclon)Temprature apparente (MeV)Mesure de la temprature maximum du systme


Transition liquide-gaz : tat final


Transition liquide-gaz : courbe caloriqueUne vraie fausse signatureH(enthalpie) = U(nergie interne) + PV (nergie lastique)Mesures plus exclusives, volume constant (corrlations)


Transition liquide-gaz : C(capacit calorifique) < 0Un apport dnergie refroidit le systme

Lapparition de C

Transition liquide-gaz : C(capacit calorifique) < 0Une observation sans ambigut Preuve directe dune transition de phase liquide-gaz du premier ordre Mais modle pour remonter au temps de gel


Transition liquide-gaz : dynamiqueorigine dynamique des fragmentsCassure dynamique du systme lors de son passage dans la rgion spinodale (transition 1er ordre)


Transition liquide-gaz : dynamiqueun chronomtreTemprature (MeV)Temprature (MeV)Mg/Atot Temps (fm/c)Mg = Rg(T) Vs ts


Transition liquide-gaz : dynamiqueorigine des fragments ????BOB : Equation de transport + champ moyen + Inn + dISMM (probabilit des partitions lquilibre statistique) : fragments distribus alatoirement dans le volume au temps de gel + dcroissance squentielle + expansion radiale


Transition liquide-gaz : dynamiquedcomposition spinodale ! Corrlation (DZ=0, Z=15) signale la partition de la fragmentation au moment du gel, caractristique de linteraction nuclaire La dynamique est suffisamment chaotique pour explorer un grand domaine de lespace de phase et valiser lapproche statistique


Le diagramme de phase Matire baryonique dense FOPI


Matire baryonique dense Dterminer lEOS : r 2-5r0, T > 0 coulement (elliptique) collectif des particules (accumulation de pression dans la phase initiale de la collision)Production de particules trs en-dessous du seuil (accumulation dnergie dans une cascade de collisions NN)


Matire baryonique denserestauration de la symtrie chirale Formation des hadrons dans un milieu dense :Mh > Si=1,nMqS(h)=S(nqvalence)+S(qqmer)+S(g) S r(qqmer) < S vide(qqmer) Dissolution des hadrons dans le milieu (HADES)


Matire baryonique densesupra conducteur de couleur ? A trs haute densit de toutes nouvelles phases (supraconducteur, structure cristalline) mais T dans IL aura tendance a faire fondre ces structures ! Ces tats sont a chercher dans les systmes astrophysiques (explosion de super nova, objets stellaires compacts)


Le diagramme de phaseMatire partonique


Matire partoniqueFaits marquantsMS prdit loccurrence de transitions de phase comme une consquence de la brisure de symtries fondamentales de la nature (origine de la masse) et QCD sur rseau calcul qu Tc > 200 MeV, la matire est dconfine et La symtrie chirale est approximativement restaure : les quarks retrouvent leur petite masse


Matire partoniqueFaits marquants Tc 170 MeV, mq0, Nf=2,3 Ordre de la transition : cross over ec 0.3-1.3 GeV/fm3 mB 0 Transition 1er ordre Point critique


Matire partoniqueFaits marquants10 Fvrier 2000 : SPS a new state of matter where quarks and gluons are not confinedJuin 2000 RHIC : Au+Au sNN = 130 GeV Mars 2001 RHIC : Au+Au sNN = 200 GeV

Avril 2007 LHC : Pb+Pb sNN = 5.5 TeV


Un vnement Pb-Pb @ SPS (NA49)sNN = 17 GeV


Un vnement Pb-Pb @ LHC (ALICE)sNN = 5.5 TeV


Lre des collisionneursALICE Plus chaud et B 0 (QCD/rseau), Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) , Plus longtemps, Nouvelles sondes: jets, g, Q, Z, W Un nouveau domaine en x (QSA1/3/xd, CGC)


Les observablesdeux expriences : ALICE & CMSALICE, lexprience ddie IL mise sur un PID unique qui sappuie sur : une trajectographie trs performante permettant lidentification de vertex secondaires, la spectromtrie haute rsolution des e, m, gCMS, est optimis pour lidentification des leptons et jets grands PT avec :une calorimtrie excellente et une trs grande acceptance


dNch/dh ~ 2500Les observables globales multiplicit pph plus efficace dans le milieu que dans le vide

Q2S = N/R2A

Prdiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000)


Spectres de particules Hadrons mous dominent, tmoins de la phase tardive (temps de gel)

Les caractristiques de leur distribution dans lespace de phase (Tf, mf, flots, HBT, EbE fluctuations,) permet de remonter aux tapes ultrieures

Des hadrons de grand pT, fragments de partons (?)


quilibre cintique et chimique Hypothse thermodynamique : les hadrons naissent en quilibre chimique Ou population statistique de lespace de phase ?


coulement elliptiqueanisotropie spatiale anisotropie des momentssaturation de la limite hydrodynamique observeThermalisation acheve T > Tc, La pression responsable de lexpansion est gnre par un QGP thermalisMesure de EOS du QGP, p/e


Les sondes durestomographie par jetsJet : Fragmentation dun parton diffus par processus dur en des hadrons colimats dans un cneDans le milieu, le parton perd de lnergie selon la densit du milieu :


Attnuation des hadrons de grand pTOrigine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur shadowing nuclaire de S modification Dzmilieu pT ou xT ?


Premires observations de jets dans AAPerte de b2b: dsalignement, attnuation


Les Jets au LHCHadrons de fragmentationFond sous-jacent 0 < pT < 50 GeV/c30-50 GeV50-80 GeV120-170 GeV230-330 GeV440-600 GeV80-120 GeV170-230 GeV330-440 GeV100 GeV Di-Jet in pppT > 2 GeV/c


Les Jets au LHCGrand pT augmentent plus rapidement que le fond thermique


tiquetage des jets par g ou Z0


Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertesDiffrents tats sont dissous diffrentes tempratures


Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertesSuppression normaleSuppression(s) anormale(s)Drell-Yann est la rfrence


Les Quarks lourdscharmonium au LHC

beaucoup de cc (100) dans NN indpendants, D+D J/ +X B J/ effets nuclaires (shadowing, quenching)Augmentation ou Suppression du J/ ?


Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICECanal + -

2.5 < h < 4


Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICECanal e+ e

-0.5 < h < 0.5J/ , ,


Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B Perte dnergie dans le milieu dense Principale source de bruit dans + - et e+ e Dcroissance hadronique masque la production primordiale de J/ALICE offre plusieurs mthodes didentification


Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B directe : dcroissance hadronique (ITS, TPC, TOF) inclusive : continuum l+ l

inclusive : e de grand pt avec vertex dplac


Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B dcroissance semi-leptonique

D D m+m-, e+e-, m+e-, m-e+ +X


Les phases de la matire nuclaire : en bref trs hautes tempratures :ALICE performant dans le mou et dans le dur ; La phase partonique est en vue ;tude dun systme organis par linteraction forte. densits leves :Les effets du milieu se font sentir (symtrie chirale) ; Supraconductivit de couleurs ? basses tempratures/densits ;Transition liquide-gaz du 1er ordre ; La voie est ouverte pour une mtrologie de la transition.


Merci Nicole Bastid, Bernard Borderie, Philippe Chomaz, Jean-Pierre Coffin, Philippe Crochet, Hugues Delagrange, Pierre Desesquelles, David dEnterria, Gines Martinez, Grazyna Odyniec, Christelle Roy, Ermano Vercellin,Aux collaborations ALICE, CMS, INDRA, PHENIX, STAR


vaporation de particules : phase liquideLe noyau modrment chaud vapore des particules lgres selon une distribution de Maxwell caractristique de la temprature


Multifragmentation : coexistence des phasesnergie dexcitation (MeV/nuclon)Multiplicit rduite plus haute temprature, le systme se fragmente en lments plus lourds que He


Vaporisation : phase gazeuse(gaz rel de fermions et de bosons en quilibre thermique et chimique)nergie dexcitation (MeV/nuclon)Temprature (MeV)Mi/Ms (%) plus haute temprature encore, le systme se dissocie en lments lgers: p, n, He


Mesure du volume au temps de gelcorrlations en vitesse relative de fragmentsAu moment du gel, les fragments occupent un volume gal 8-6 le volume nuclaire normal


coulement elliptiqueanisotropie spatiale anisotropie des moments


Le nombre net de baryons 0


Transition liquide-gaz :Amliorer la comprhension thorique (comptences interdisciplinaires) : des transitions de phase dans les systmes finis matire nuclaire, hors quilibredu transport stochastique des ensembles de fermions Complter les mesures pour une mtrologie de la transition de phase avec (des dtecteurs universels, Z, A , n, g, 4p) : la recherche de nouvelles variables dordre, la slection densemble statistiques dvnements dont on tudiera les fluctuations,la vrification de nouvelles prdictions comme la distillation de la matire neutronique (instabilits spinodales chimiques)


En dcomposant lnergie totale su systme en une partie cintique et une partie potentielle, la valeur moyenne de lnergie cintique est un bon thermomtre microcanonique, alors que les fluctuations de lnergie cintique permettent de dterminer la capacit calorifique. Remonter ces quantits au moment du freeze out partir de ltat final mesur est dpendant dun modle. Pour tudier la rgion spinodale, mcaniquement instable, on tudie la propagation de petites perturbations de densit: rsolution des quations RPA.Le signal existe au moment du gel et est partiellement dtruit par lvolution ultrieure du systme.Phase transition est du 2 ordre avec nf=2 et dans la limite chirale 1 ordre avec nf=3Plus certainement cross-over dans le cas ou le spectre de masse des quarks est ralis.La transition a lieu dans un domaine troit de tempratures : densit dnergie change beaucoup mais pas la temprature: chaleur latenteOn sattend ce que la densit des gluons virtuels si petits x bjorken soit proche de la saturation de lespace de phase disponible et que lvolution dynamique du systme soit gouvern par la chromodynamique classique. Limportante densit de partons petits x par unit de surface transverse fournit une chelle, lchelle de saturation Qs qui croit quand A croit et x dcroit: les noyaux fournissent un facteur damplification, lchelle de saturation apparat dans le nuclon beaucoup plus petit x que dans le noyau. Q2s = 10 GeV2 au LHC.Puisquau LHC Qs >> LQCD, alphas

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