6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 1
ALICE teste la QCD
Physique des ions lourds au LHC
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Les ions lourds au LHC
SPS RHIC LHC
√sNN (GeV) 17 200
0QGP (fm/c) 1 0.2
T/Tc 1.1 1.9
(GeV/fm3) 3 5
QGP (fm/c) ≤2 2-4
5500 X 28
0.1 plus tôt
3.0-4.2 plus chaud
15-60 plus dense
>10 plus long
Le plus important saut en énergie dans l’histoire de la physique des ions lourds…
…pour étudier en détail la phase partonique (QCD) de la matière à l’aide de sondes dures (pQCD) abondamment
produites
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Formation du vrai vide de QCD
Un gaz de gluons et de quarks (3 saveurs) interagissant faiblement où la symétrie Chirale est restaurée
mu= md = ms
mu = md
mu = md ; ms mu,d
QL atténués exp(-mc,b,t/T)
s(T)=4/(18log(5T/Tc))
RHIC
SPS
LHC
Pas encore un gaz parfait
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Quel état de la matière et quelles observables QGP, sQGP, wQGP, bsQGP, CGC,… ? Les signatures de la transition de phase ?
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De la théorie à l’expérience
MFFDiL a
aˆ~
4
1
dddd
p4
,,,,,6 0 bcsduhhN
Modèle(s)
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De la théorie à l’expérience
MFFDiL a
aˆ~
4
1
dddd
p4
,,,,,6 0 bcsduhhN
Modèle(s)
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SPS: ”Un nouvel état de la matière créé au CERN” (10 Feb. 2000)
7 expériences spécialisées (NAxx, WAyy)
Des faits en faveur de l’existence d’un nouvel état de la matière (3.2
GeV/fm3]>c, augmentation de S, suppression de J/ψ, rayonnement thermique photon, masse du ,…)
Signes précurseurs mais formation du QGP ambiguë
Pb+Pb √sNN = 17.3 GeV NA 49
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RHIC: “The discovery of the QGP at RHIC” (M. Gyulassy QM 2004)
4 expériences généralistes (BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR)
Preuves empiriques: Densité d’énergie (5 GeV/fm3) bien
au-delà de la densité critique Ecoulement elliptique:
comportement collectif des partons Suppression de jets: absorption des
partons dans un milieu coloré opaque
Confirmé par l’absence de signatures dans dA
Interprétation en termes de sQGP et CGC
Au+Au √sNN = 200 GeVSTAR
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LHC: la plus proche approximation du Big Bang
ALICE: une seule expérience ions lourds généralistes
En 04/2007, premières collisions pp à 14 TeV,
… et peu après les premières collisions PbPb à √sNN= 5.5 TeV.
“Il est dangereux de faire des prédictions, surtout si elles concernent le futur"
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QCD dans un nouveau régime cinématique
x<<1 Détermine les propriétés du
milieu (QS=0.2A1/6√s= 2.7 GeV)
Le QGP au LHC est formé à partir d’un “Color Glass Condensate” (champ fort, couplage faible: dynamique classique)
J/ψ
ALICE PPR CERN/LHCC 2003-049²
10-6 10-4 10-2 100
x
108
106
104
102
100
Q2 (
GeV
2)
100 GeV
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pQCD en action: un nouveau régime cinématique
Q >> 1 Détermine la sonde du milieu Q >> QCD, T (, r ~1/Q)
J/ψ
ALICE PPR CERN/LHCC 2003-049²
10-6 10-4 10-2 100
x
108
106
104
102
100
Q2 (
GeV
2)
100 GeV
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Collision crée matière et sondes
Production de particules dominée par processus durs
Quarks lourds et sondes pénétrantes deviennent accessibles
Produits à t=0 → phase intiale de la collision (QGP)
Virualité importante → temps de formation court
Sonde et matière sondée découplée
pQCD applicable→ prédictions
LHC
RHICSPS
(h++h-)/2
0
17 GeV
200 GeV
5500 GeV=√s
LO p+p y=0
LHC:hard/total = 98% (50% à RHIC)
6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 13
Dynamique du processus de hadronisation : dans le vide
Le milieu modifie la dynamique observée dans le vide
Les modifications sont transmises dans l’état final
ET
état hadronique final
Lhadr ~ ET/Q2hadr
222 ,ˆ
ˆ,, Qx
tQxQxxx c
cdabbab
abcda
h
ch
Bb
Aa
1
0
1
0t
Dd
dffdd
dddEd
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Dynamique des partons dans le milieu
Lhadr ~ ET/Q2hadr
Ltherm ~ √(ET/q )^
c
2c
cdab2b
2ab
abcda
h
x
Q,1x
1
1
t̂
ˆQ,xQ,xxx
εD
εεP dε
dd
ffdddddE
d
ch
Bb
Aa
1
0
1
0t
état hadronique final
ET
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Dynamique des partons dans le milieu
La quantité d’énergie rayonnée () dépend des propriétés (densité de couleurs) du milieu (coefficient de transport q)
La compétition entre thermalisation (=E) et hadronisation dépend de l’énergie du parton.
Lhadr ~ ET/Q2hadr
Ltherm ~ √(ET/q )^
^
état hadronique final
ET
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Thermalisation dans le milieu
Ltherm< Lhadr < Lmedium
Le parton est thermalisé dans le bain thermique Les propriétés globales du milieu sont déduites à partir des
hadrons de bas pht ( ≤ 2 GeV/c) hadrons, leptons, photons
~ ET
Conditions expérimentales: seuil à bas pt
ET
6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 17
Propriétés (thermo)dynamiques du milieu Extrapolation monotone à partir des résultats de RHIC mais
différences dans: Dynamique d’expansion (écoulement elliptique, volume
transverse, fluctuations evt par evt, …) La phase de gel (température, charme, …) Photons thermiques
150
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Modification du processus de hadronisation
Ltherm~ Lhadr ~ Lmedium
Le milieu, paramètre de contrôle pour modifier le processus d’hadronisation
pht ~2-7 GeV/c
Lhadr ~ ET/Q2hadr
ET
état hadronique final
E Ltherm ~ √(ET/q )^
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Dynamique du processus de hadronisation
hadronsblanchis
partoncoloré
Quark habilléou
Corde de couleurou
diquarkou...
Recombinaison
Fragmentation
Habillage du Diquark
pQCD:
Da h (z,Q2)
Quark habilléou
Corde de couleurou
diquarkou...
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RHIC: fragmentation modifiée
Condition expérimentale: PID jusqu’à ~ 10 GeV/c
p/
Pt[GeV/c]
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Effets de milieu dans l’état final
Ltherm> Lhadr > Lmedium Le parton perd de l’énergie additionnelle energy (qL2) Multiplicité et énergie transverse de la gerbe hadronique
augmentent (qL) Hadron dominant
E Ltherm ~ √(ET/q )^
^
^
xET
ET
état hadronique final
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Hadron dominant (qL2)
… Mais l’émission de surface limite la sensibilité aux propriétés du milieu
Eskola, Honkanen, Salgado, Wiedemann Nucl Phys A, hep-ph/0406319
Condition expérimentale: grand pt
^
q=5 GeV2/fm^
q=10 GeV2/fm^
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Dépendance g, q, Q
Egluon Equark, m0 Equark, m0
Condition expérimentale: grand pt electrons, vertex
Armesto, Dainese, Salgado, Wiedemann hep-ph/0501225
6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 24
Reconstruction de jet (qL)
Au LHC, les jets pourront être reconstruits dans l’environnement IL
La structure du jet est plus sensible aux effets de milieu
^
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Excitation du jet
Énergie totale du jet peu sensible, augmentation de kt
Fragmentation longitudinale et transverse: étiquetage (Z)
Salgado, Wiedemann, hep-ph/0310079
. kt
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Etiquetage des jets
Pb+Pb 40GeV → -jetR=0.3; pt> 2 GeV/c
Ejet/E zT=pT/E
RAA
Condition experimentale: calorimétrie, hadrons bas zt, grand pt
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1+2 experiments at the LHC ATLASCMSALICE
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ALICE
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ALICE Physics Program
Deconfinement: charmonium and bottomonium spectroscopy
Energy loss of partons in quark gluon plasma: jet quenching high pt spectra open charm and open beauty
Chiral symmetry restoration: neutral to charged ratios resonance decays
Fluctuation phenomena - critical behavior: event-by-event (√N) particle composition and spectra
pp collisions in a new energy domain
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Heavy ion experiment at LHC
ALICE will meet the challenge to measure flavor content and phase-space distribution event-by-event:
Most (2 * 1.8 units ) of the hadrons (dE/dx + ToF), leptons (dE/dx,
transition radiation, magnetic analysis) and photons (high resolution EM calorimetry);
Track and identify from very low (< 100 MeV/c; soft processes) up to very high pt (>100 GeV/c; hard processes);
Identify short lived particles (hyperons, D/B meson) through secondary vertex detection;
Identify jets;
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Alice uses ~all known techniques!
0 1 2 3 4 5 p (GeV/c)
1 10 100 p (GeV/c)
TRD e / PHOS /0
TPC + ITS (dE/dx)
/K
/K
/K
K/p
K/p
K/p
e /
e /
HMPID (RICH)
TOF
Aerogel Cherenkov 10 GeV/c
ALICE PID
EMCAL
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Jet Phase Space
0 1 2 10 100
pt (GeV/c)
Bulk properties
Hard processesModified by the medium
T=QCD Qs
ALICE Tracking & PID
Jets from Correlations and Leading Particles
Reconstructed Jets
Mini-jets 100/event 1/event 100K/year
Jet physics will dominate the LHC heavy-ion program, ALICE will be the main contender of the race for jet quenching
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The ALICE program in 2007 on wards
The first 15 minutes; Lint=1b-1
Event multiplicity, low pt hadronic spectra, particle ratios
The first month; Lint=0.1-1nb-1
Rare high pt processes: jets, D,B, quarkonia, photons, electrons
The following years: pA, A scan, E scan
PbPb = 8barn; LPbPb 1027cm-2s-1; t0=04/2007
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ALICE: the dedicated HI experimentSolenoid magnet 0.5 T
Central tracking system:• ITS •TPC• TRD• TOF
MUON Spectrometer:• absorbers• tracking stations• trigger chambers• dipole
Specialized detectors:• HMPID• PHOS
Forward detectors:• PMD• FMD, T0, V0, ZDC
Cosmic rays trigger
6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 35
Proposed ALICE EMCAL
EM Sampling Calorimeter (STAR Design)
Pb-scintillator linear response -0.7 < < 0.7 /3 < <
Energy resolution ~15%/√E