ALICE teste la QCD

6-7 juin 2005 YS@GDR-LQCD 1

ALICE teste la QCD

Physique des ions lourds au LHC


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


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


Quel état de la matière et quelles observables QGP, sQGP, wQGP, bsQGP, CGC,… ? Les signatures de la transition de phase ?


De la théorie à l’expérience

MFFDiL a

aˆ~

4

1

dddd

p4

,,,,,6 0 bcsduhhN

Modèle(s)


De la théorie à l’expérience

MFFDiL a

aˆ~

4

1

dddd

p4

,,,,,6 0 bcsduhhN

Modèle(s)


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


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


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"


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


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


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)


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


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


ET


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 )^

^


ET


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


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


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


E Ltherm ~ √(ET/q )^


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...


RHIC: fragmentation modifiée

Condition expérimentale: PID jusqu’à ~ 10 GeV/c

p/

Pt[GeV/c]


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



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^


Dépendance g, q, Q

Egluon Equark, m0 Equark, m0

Condition expérimentale: grand pt electrons, vertex

Armesto, Dainese, Salgado, Wiedemann hep-ph/0501225


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

^


Excitation du jet

Énergie totale du jet peu sensible, augmentation de kt

Fragmentation longitudinale et transverse: étiquetage (Z)

Salgado, Wiedemann, hep-ph/0310079

. kt


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


1+2 experiments at the LHC ATLASCMSALICE


ALICE


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


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;


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


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


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


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


Proposed ALICE EMCAL

EM Sampling Calorimeter (STAR Design)

Pb-scintillator linear response -0.7 < < 0.7 /3 < <

Energy resolution ~15%/√E

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