Les rsonances de quarks lourds comme sonde du Plasma de Quarks et de Gluons

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Les résonances de quarks lourds comme sonde du
Plasma de Quarks et de Gluons

• Du SPS au LHC

Philippe Pillot Laboratoire de Physique
Subatomique et de Cosmologie
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Sommaire

• Introduction
• Le plasma de quarks et de gluons, production en
  laboratoire
• Les signatures expérimentales, suppression des
  résonances de quarks lourds
• Les résonances de quarks lourds au SPS
• Résultats expérimentaux et interprétation
• Lexpérience NA60 but, procédure danalyse,
  résultats, interprétation
• Les résonances de quarks lourds au RHIC
• Résultats expérimentaux et interprétation
• Les résonances de quarks lourds au LHC
• Prédictions
• Lexpérience ALICE
• Quelques études envisagées
• Conclusion

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Le plasma de quarks et de gluons
Matière nucléaire ordinaire quarks et gluons
confinés à lintérieur des hadrons. QCD prédit un
déconfinement à haute température et/ou haute
densité baryonique ?Plasma de quarks et de gluons
Matière nucléaire ordinaire
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Production en laboratoire
hep-lat / 0305025
Deux ions lourds ultrarelativistes entrent en
collision. Les multiples interactions
nucléon-nucléon laissent derrière elles une
région fortement excitée, sous forme dun gaz
chaud de hadrons ou dun QGP si la température
et/ou la densité sont suffisantes.
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Les signatures du QGP

• Plusieurs signatures ont été proposées
• Modification des caractéristiques des mésons de
  basse masse ?, ? et ?
• Augmentation de la production détrangeté
• Production de photons thermiques
•  Jet quenching 
• Suppression des résonances de quarks lourds ?
  J/?, ?

• Fortement liées ? résistent (en principe) aux
  interactions dans un gaz hadronique
• Détectées via leur canal de désintégration en
  dileptons

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1er modèle de suppression du J/?
T. Matsui, H. Satz, Phys. Lett. B 178 (1986) 416
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Les résonances de quarks lourds au SPS
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La référence le Drell-Yan
Etude du rapport J/?/DY ? Mesure de la production
du J/? en saffranchissant de beaucoup derreurs
systématiques

• Le processus Drell-Yan (DY) est un processus dur
  qui a lieu lors des collisions primaires
  nucléon-nucléon.

• Les muons nétant pas sensibles à linteraction
  forte, la production du DY ne dépend pas du
  déroulement de la collision (QGP ou non)
• ? La section efficace de production du DY est
  proportionnelle au nombre de collisions
  nucléon-nucléon ?DY(AB) ? AB ?DY(pp)

? Si le J/? nest pas supprimé J/?/DY cte
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Résultats expérimentaux avant NA60
QGP ?
QGP ?
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Modèle thermique (QGP gaz hadronique)
Résultats de QCD sur réseau
10 ?
J/? détectés 60 J/? 30 ?c 10 ? ?c et ?
états excités du J/?, moins fortement liés mais
de durée de vie supérieure à la durée de la
collision
30 ?c
60 J/? direct
Digal al., Phys. Rev. D64 (2001) 094015
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Co-voyageurs hadroniques
A. Capella al., hep-ph/0505032
Dissociation du J/? et de ses états excités par
interaction avec des hadrons co-mobiles
J/? h ? D D X
Mis à part le modèle de Capella, ce type de
modèle peine à reproduire les données
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Percolation de partons

• Lorsque la densité de partons (npartons) dépasse
  une valeur critique il y a formation dun cluster
  de partons déconfinés
• Echelle de résolution du cluster Q kTmax
• Lorsque Q est suffisamment grande pour résoudre
  une résonance (J/?, ?c ou ?) elle est supprimée

S. Digal al., Eur. Phys. J. C 32, 547 (2004)
Parton disque de rayon 1/kT
npartons nnucléons participants npartons dans
nucléon (Glauber) (PDF)
Pas de thermalisation. Mécanisme précurseur de la
formation dun QGP ?
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Questions adressées à NA60

• Est-ce que la suppression anormale est également
  présente pour des systèmes plus légers ?
• Quelle variable doit on utiliser pour étudier la
  suppression anormale du J/? ? L, Npart, ? ? (liée
  au mécanisme de suppression)

• NA60 a pris des données en collisions
  indium-indium à 158 GeV/c (résultats ci-après)

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Lexpérience NA60

• Résolution de reconstruction du vertex
• lt 20 µm transversalement
• lt 200 µm dans la direction du faisceau
• Détermination précise de lorigine des muons
• Amélioration de la résolution en masse

• 5 semaines de prise de données (2003)
• 4 1012 ions délivrés au total
• 230 millions de triggers dimuons

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Procédure danalyse
Espace de phase -0.5 lt cos ?CS lt 0.5 et 0.0 lt
ycms lt 1.0
Dimuons reconstruits dans le spectromètre
Dimuons reconstruits dans le spectromètre et le
télescope à vertex

• Bruit de fond combinatoire issus des
  désintégrations de ? et K déterminé à partir des
  dimuons de même signe
• Allures des contributions des autres processus
  évaluées par simulation MC (Pythia avec GRV94LO
  GEANT 3.21 reconstruction comme les données
  réelles)
• Ajustement en plusieurs étapes ? extraction du
  rapport J/? / DY
• Correction de lacceptance du détecteur et de
  lisospin des noyaux

Analyse en fonction de la centralité de la
collision 300 DY ? 3 tranches en centralité
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Comparaison avec les mesures précédentes

• Suppression anormale du J/? dans les collisions
  In-In
• J/?/DY versus L les différents résultats ne
  se superposent pas
• J/?/DY versus Npart meilleur accord entre les
  résultats

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Analyse directe du J/?
Lanalyse du rapport J/?/DY est limitée par la
faible statistique au delà de 4.2 GeV/c2
(utilisée pour normaliser le DY)
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Comparaison avec les mesures précédentes

• Suppression anormale du J/? dans les collisions
  In-In
• J/? mesuré / attendu versus L les différents
  résultats ne se superposent pas
• J/? mesuré / attendu versus Npart meilleur
  accord entre les résultats

Actuellement en cours étude en fonction de la
densité de nucléons participant à la collision et
en fonction de la densité dénergie
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Comparaison avec les modèles théoriques
Aucun des 3 modèles proposés ici ne reproduit les
données de façon satisfaisante Rappelons
néanmoins que ces modèles ont été ajustés à
partir des données p-A, S-U et Pb-Pb
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Bilan SPS

• faible production de charme

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Les résonances de quarks lourds au RHIC
O. Drapier - Quark Matter 05 R. Granier de C. -
Joliot-Curie 05
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Nouvelle référence ?
Le processus Drell-Yan nest plus utilisable au
RHIC ? il faut trouver une nouvelle référence
pour étudier la production du J/?
Besoin de plus de statistique !
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Effet nouveau le shadowing
Les partons de petit x ( de grande extension
spatiale) appartenant aux différents nucléons
dun même noyau se font de lombre ? PDF pour
un nucléon dans un noyau ? PDF pour un nucléon
seul
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Effets nucléaires froids
Les partons de petit x ( de grande extension
spatiale) appartenant aux différents nucléons
dun même noyau se font de lombre ? PDF pour
un nucléon seul ? PDF pour un nucléon dans un
noyau

• Shadowing et anti-shadowing visibles
• ?abs lt 3mb (semble plus petite au RHIC quau SPS)

Anti-shadowing
Rien ?
Shadowing
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Données A-B face aux effets nucléaires froids
shadowing absorption normale ?abs 3 mb
(surestimée)
ee-
µµ-

• Suppression supplémentaire de 35-40 dans les
  collisions Au-Au centrale
• Equivalent à la suppression observée au SPS
• Besoin dune meilleur référence p(d)-A

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Comparaison avec les modèles théoriques
Sans régénération
Avec régénération

• La régénération semble nécessaire pour
  reproduire correctement les données
• Problème le nombre de paire cc initiales est
  mal connu
• Une meilleure connaissance des effets nucléaires
  froids est nécessaire

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Bilan RHIC

• grande production de charme

• besoin dune meilleure référence en collisions
  p(d)-A

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Les résonances de quarks lourds au LHC
P. Crochet - Quark Matter 05 P. Dupieux -
Joliot-Curie 05
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Prévisions concernant le J/?

• Suppression totale des J/? primaires
• Grande production secondaire de J/? (au moins
  autant que de primaires)
• 10 fois plus de cc quau RHIC ? beaucoup de
  régénération
• désintégration de b

P. Braun-Munzinger al., Phys. Lett. B490 (2000)
196 R.L. Thews al., Phys. Rev. C63 (2001) 054905
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Prévisions concernant l?

• Dissociation successive de l? et de ses états
  excités par effet de milieu

Résultats de QCD sur réseau
(Bande évaluées pour les collisions centrales)
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Lexpérience ALICE
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Le spectromètre à muons
Mesure de la trajectoire des muons dans un champ
dipolaire à laide de 10 chambres à fils ?
détermination des caractéristiques cinématiques
des dimuons (masse invariante, )

• Absorbeur
• Dipôle magnétique
• Filtre à muons
• Trigger
• Chambres à fils

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Nouvelle(s) référence(s) ?
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Quarkonia et beauté ouverte en dimuons
Coupure pT(µ) gt 1 GeV/c
Coupure pT(µ) gt 3 GeV/c
Pb-Pb, 1 mois de prise de données, L51026
cm-2s-1
collisions centrales Domination de paires BB
corrélées et décorrélées autour de M(?)
collisions périphériques Domination de paires
BB corrélées autour de M(?)
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J/? et beauté ouverte en diélectrons
Collisions Pb-Pb centrales dans 4? N (b ? J/?)
/ N (J/? directs) 30

• séparation des J/? primaires et secondaires
• mesure inclusive de la section efficace de
  production de b

ALICE TRD/TP, CERN/LHCC 99-13
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Le boson W en muon
Muons de grand pT principalement issus de la
désintégration de W
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Les quarkonia dans CMS et ATLAS
CMS ?M(?) 50-70 MeV/c2 ATLAS ?M(?)
130-150 MeV/c2
M. Bedjidian, CFd (2004) / L. Rosselet,
Vienne (2004)
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Bilan LHC

• très grande production de charme

• grande production secondaire de J/?
  (régénération désintégration de b)

• production de beauté (peu de régénération)

• beaucoup de façons détudier la production des
  quarkonia dans ALICE grâce aux performances des
  détecteurs centraux et du bras dimuons

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Conclusion

• Notre compréhension des mécanismes de
  suppression des résonances de quarks lourds dans
  les collisions dions lourds a beaucoup évolué au
  fil des résultats expérimentaux
• SPS absorption normale suppression anormale
  du J/? (collisions In-In Pb-Pb) ?
  formation dun milieu déconfiné (QGP ?) - étude
  des modèles en cours
• RHIC absorption normale shadowing
  suppression anormale du J/? (collisions Au-Au )
  reproduite qualitativement par des modèles QGP
  avec régénération du J/? (besoin dune meilleure
  référence p(d)-A)
• LHC shadowing régénération du J/? à priori
  très importants désintégration de b. Etude de
  l? possible
• Les résonances de quarks lourds restent un outil
  privilégié pour étudier la formation, lévolution
  et les propriétés du milieu déconfiné.
• On peut étudier leur taux de production mais
  aussi leurs distributions en y, pT, MT, ?
  informations complémentaires sur les mécanismes
  de régénération, de perte dénergie des quarks
  lourds, sur la température du système,

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Conclusion

• Notre vision du QGP a aussi beaucoup évolué au
  fil des résultats expérimentaux.
• Production dun milieu déconfiné, mais dans quel
  état ? ? on en nest pas tant à mettre en
  évidence la formation de ce milieu quà en
  étudier les propriétés
• ? Intérêt du LHC en complément du SPS et du RHIC
  (milieu plus dense, plus gros, plus chaud et qui
  dure plus longtemps ? formation du QGP tel
  quinitialement prédit ?)
• Besoin dun maximum de signaux (dont les
  résonances de quarks lourds) pour étudier ses
  propriétés
• ? But dALICE, seule expérience du LHC dédiée à
  létude des collisions dions lourds et du QGP