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Déconfinement et plasma dans
les collisions d’ions lourds
• Plasma de quarks et de gluons
• Le Petit Bang
• RHIC/LHC
Journées 2002 de la Division Physique
Nucléaire de la SFP
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Plasma de quarks et de gluons
• Big Bang
– haute température (1012 K)  grande densité d ’énergie
– 10-6 s. : Plasma  matière confinée
• Etoiles à neutrons
– effondrement d ’étoile
– forte densité de matière
(5 à 10 fois la densité nucléaire classique)
– matière confinée  plasma
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG : transition de phase
• QCD sur réseau

/ T4
T/TC
N d.o.f = 3
Pions
SFP-Caen
N d.o.f = 37
(2-flavor)
Quarks and Gluons
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Température
PQG : diagramme de phase
Plasma de quarks
et de gluons
Big Bang
Collisions
d ’ions lourds
~200 MeV
Etoile
à neutrons
Matière Nucléaire
ordinaire
1
SFP-Caen
5 — 10
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Densité (r/r0)
PQG : collisions d’ions lourds
• 15 ans de recherche au CERN
• 1986 - 1987 : Oxygène @ 60 & 200 GeV/nucléon
• 1987 - 1992 : Soufre @ 200 GeV/nucléon
• 1994 - 2000 : Plomb @ 40, 80 & 158 GeV/nucléon
hadrons
2000
photons
hadrons
multistrange
NA57
Pb
WA98
dielectrons
NA49
NA45
CERES
WA97
1992
1986
SFP-Caen
NA50
NA52
NA34/3
HELIOS3
WA94
WA85
strangelets
dimuons
NA44
WA80
dimuons
hadrons
1994
S
O
+ pp et pA
pour des études
de référence
NA34/2
HELIOS2
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
hadrons
NA35
NA36
NA38
PQG : collisions d’ions lourds
• Collisions
région de
fragmentation
cible
“Spectateurs”
région centrale
de rapidité
région de
fragmentation
projectile
“Participants”
“Spectateurs”
• Densité d ’énergie
y<0
y=0
y>0
Formule de Bjorken :
dET 
1

dy  y 0 S 
  3 GeV/fm3
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG : Le « Petit Bang »
• Quelques résultats du CERN - SPS
collision
Hadronisation
expansion
Déconfinement
+ plasma
–
–
–
–
–
SFP-Caen
Suppression du J/psi (déconfinement+plasma)
Augmentation d ’étrangeté (plasma)
photons directs et di-leptons (plasma)
gel chimique (hadronisation)
gel thermique (expansion)
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Petit Bang : signatures du PQG
• Plasma  écrantage de couleur suppression du J/Y
quarkonium
NA50
p-A
écrantage
Absorption
 s  ABa
absorption
nucléaire
p-A
A-U
Pb-Pb
SFP-Caen
NA50
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
S-U
Pb-Pb
Petit Bang : signatures du PQG
• Augmentation anormale d ’étrangeté
– plasma  augmentation de la production de
particules étranges
 (sss) >  (dss) > (uds)
 (uds)  x 1,5
  (dss)  x 5
  (sss)  x 17
b
SFP-Caen
“Participants”
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Petit bang : signatures du PQG
• photons direct
• di-électrons
plasma  augmentation de la production
de di-leptons.
Bkg=,  
Plasma  augmentation de la production
de photons directs à grand PT
CERES/NA45
WA98
• compatible avec modèle hydro (T~330MeV) • données p-A correctement reproduites
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Petit Bang : gel chimique
• Abondances
• Des modèles thermiques
reproduisent les abondances
mesurées
NA44, NA49, NA50,
WA97,WA98
P. Braun-Munzinger et al.
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
T  170 MeV
Petit Bang : gel thermique
• Spectre des particules
WA97, CERN-EP-2000-001
1 dN
m
 A exp(  T )
m T dm T
T
T = Tgel + ½ m <V>2
mouvement
collectif
NA44
équilibre
thermique
PRL 78 (1997) 2080
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Tgel ~ 140 MeV
<V> ~ 0,4 c
Petit Bang : bilan
• La vision globale
expansion
collision
augmentation
d ’étrangeté
Gel
thermique
Gel
suppression
chimique
du J/psi
Photons
Exces de
directs
di-leptons
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
• La machine
Démarrage : 2000
• Collisionneur
• Circonférence = 3.8 km
• Energie :
• 300 GeV en p-p
• 200 GeV en Au-Au
• Luminosité
• Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1
• p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
été 2000
5 semaines (130 GeV)
Sept. - Déc. 2001
15 semaines (200 GeV)
Premiers résultats
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
• Premiers résultats : densité d ’énergie
BNL - AGS 4 GeV
CERN - SPS 17 GeV
SPS
RHIC
AGS
BNL - RHIC 130 GeV
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
• Premiers résultats : transparence
Avant la
collision
dN/dY
Y<0
Y<0
Y=0
Y>0
Forte densité
baryonique
arret
Y=0
Y>0
Faible densité
baryonique
Forte densité
baryonique
transparence
Y<0
SFP-Caen
Y=0
Y>0
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Faible densité
baryonique
PQG à RHIC
• Premiers résultats : gel thermique
– flot radial plus important à RHIC  plus forte pression
RHIC
mid-rapidity
SPS
Tp = 565 MeV
TK = 300 MeV
T = 190 MeV
T = Tgel + ½ m <V>2
Tgel (RHIC) ~ 140 MeV <V> (RHIC) ~ 0,52 c
Tgel (SPS) ~ 140 MeV
<V> (SPS) ~ 0,4 c
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
• Premiers résultats : jet quenching
hadrons
(X. N. Wang, hep-ph/0111404)
leading
particle
p-p
q
q
hadrons
leading
particle
hadrons
q
leading
particle
SFP-Caen
leading
particle
q
hadrons
A-A
Perte d ’énergie
dans le milieu
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG à RHIC
• Données 2000 :
expansion
collision
Gel
thermique
augmentation
d ’étrangeté
suppression
Gel
du J/psi
chimique
Photons
Jet
Exces de
directs
quenching di-leptons
• Données 2001 :
– J/Y, étrangeté, photons directs, di-leptons
– premiers résultats  QM2002 : Nantes (18-24 juillet)
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG au LHC
• La machine
Démarrage : 2007
• Collisionneur
• Circonférence = 27 km
• Energie :
• 14 TeV en p-p
• 5,5 TeV/A en Pb-Pb
• Luminosité
• p-p: 1033-34 cm-2 s-1
• Pb-Pb : 1027 cm-2 s-1
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
PQG au LHC
• LHC .vs. plasma
– plus dense
– plus grand
– plus longtemps
SPS
RHIC
LHC
s (GeV)
17
200
5500
DNch/dy
500
650
3-8x103
 (GeV/fm3)
2.5
5
15-40
Vf(fm3)
103
<1
7x103
1.5-4
2x104
4-10
plas. (fm/c)
• physique du plasma
étrangeté
abondances
quarkonia
di-leptons
Photons
directs
transparence
Jet
quenching
SFP-Caen
Spectre
des hadrons
ALICE
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
densité
d’énergie
PQG au LHC
• L ’expérience ALICE
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Conclusion
• CERN-SPS
– 1986  2000
– collisions Pb-Pb à 17 GeV/A
– « un nouvel état de la matière créé au CERN »
• BNL-RHIC
– collisions Au-Au à 200 GeV/A
– confirmation et premières études
– 2000  ~ 2007
• CERN-LHC
– collisions Pb-Pb à 5,5 TeV/A
– étude complète
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
Petit Bang : signatures du QGP
• Suppression anormale du J/Y
– plasma  écrantage de couleur
quarkonium
p-A
S-U
Pb-Pb

écrantage
Y
NA50
(Satz et al.)
   y (30%)
SFP-Caen
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
E (GeV)
TD/TC

0,24
1
J/Y
0,64
1,2
Physics Menu
* Needs upgrade
SPS
Global
and
Hadrons
Rare /
Penetrating
Probes
SFP-Caen
Multiplicity
ET
Spectra and ratios
Flow & Correlations
Multi – strange
Photons
Low-mass e+eVector mesons r 
  l+lK+KJ/y e+e+   + Open charm
High pT
NA49, WA80
NA49, WA80
All
NA44+ …
WA 97
WA98, CERES
CERES
NA50
NA50
NA49
NA50
NA60
(CERES, WA98)
Frédéric Fleuret - LLR Ecole
RHIC
BRAHMS
PHENIX
PHOBOS
STAR
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X*
X
X
X
X
X
X*
X*
X
X
X
X
X
X*
X