L'Etrangeté du Plasma de Quarks et de Gluons
Résumé
Like the three other experiments at RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in the Brookhaven National Laboratory near New York, STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) is dedicated to the search of a particular state of nuclear matter, predicted by lattice QCD (Quantum ChromoDynamics) calculations : the Quark Gluon Plasma (QGP). This state, supposed to be that of the Universe a few fraction of second after the Big Bang, should consist according to its first definition (1975) in a matter where quarks and gluons are deconfined and without any interaction. It could be created in laboratory with ultra-relativistic heavy ion collisions allowing to reach extreme temperatures and pressure.
After 20 years of research in Europe and United States, CERN annnnounced (on february 20th, 2000)that a particular state of matter as been created, compatible with a QGP state, but it was not possible to characterize it completely.
RHIC experiments then take over. Today, all the numerous new results that have been collected let us believe that indeed an atypical state of nuclear matter has been reated at RHIC and our understanding of the QGP as a perfect partonic state without any interaction has been reviewed. A new acronym has been defined : sQGP for Strongly Interacting QGP.
This has been obtained by the characterization of the heavy ion collision evolution, from a chemical and dynamical point of view, by comparing effect in heavy ion collisions (for which conditions should be satisfied to form a QGP to collisions at lower energies or involving lighter ions that can not produce the requiered conditions. The QGP is indeed to furtive to be probed directly. My "Habilitation à Diriger des Recherches" presents results of the analyses that I have directed and that contributed to highlight the formation of a new state of matter at RHIC and this new conception of the QGP. Signs of the QGP have been searched with strange particles : resonances of particles containing one strange quark and baryons with two strange quarks.
The production of strange resonances provides indeed information on the hadronization phase (when partons recombined in hadrons) : according to their measurement or not, it is possible to characterize the chemical freeze-out (at which inelastic interactions stop) and cinetic freeze-out (at which elastic interactions stop), if these two freeze-outs coincide or not, if there is some delay between them. The idea is the following : Lambdas(1520) rescatters in a proton and a kaon. Hence, if the time between both freeze-outs is long, products of the desintegration can be rescattered in the dense medium. However, if both freeze-outs coincide or are very close, products of the desintegration are not influenced and the particle mother (resonance) can be identified. Thus, by measuring yields of production of resonances in proton-proton collisions (for which freeze-out coincide)and by comparing to the yields obtained in Au–Au collisions, it appears that indeed at least both freeze-outs are separated by 4 fm/c in Au–Au collisions. This conclusion is an important step in the understanding of ultra_relativistic heavy ion collisions. This analyse was very original within the STAR Collaboration because it was the first study done on strange resonances. Dedicated algorithms have been developed and are used in the collaboration which studies various other resonances or exotic particles.
The production of strange baryons was extensively investigated in the passed experiments since an anormal enhancement of the yields of production is expected if a QGP is formed. CERN experiments have indeed observed an overproduction of strangeness in Pb-Pb collisions but were not able to conlude if a QGP has been created or not since it was possible to explain their results by hadronic gas models. We have realised a similar analysis with the STAR data by comparing the yields of multi-strange baryons (Xi containing two strange quarks), in proton–proton and Au–Au collisiobs at sqrt(s_NN) = 200 GeV. Again, results remain ambigous. These results lead some physicists to the conclusion that strange particle yields can not be viewed as a potential signature of the QGP. However, strangeness comes on stage in a more indirect manner, providing very various information and on the various phases of the collision.
Xi particles indicated firstly that the system created at the full energy at RHIC is thermally and chemically equilibrated (at least in strangeness production. Chemical freeze-out temperatures are close to the temperature predicted by QCD for the phase transition. We have also investigated dynamical collective effects (flow phenomenon) coming from interactions between constituants and lead to an emision of matter in particular directions in phase space. In agreement with their small interaction cross sections, Xi baryons seem to decouple earlier than the lighter particles. However, the fact that baryons suffer a substantial flow, may indicate that they have develop a flow hence that they encountered interactions, before the hadronic phase, differently speaking during the partonic phase. Partons seem to interact ontrarily to the first expectations and predictions of the theoricians 20 years ago.
Moreover, during 2003, the fourth RHIC experiments revealed conjointly the discover of the jet-quenching effect in heavy ion collisions : it corresponds to a suppression of charged particles at high transverse momentum which is nowadays explained by the energy loss of partons in a dense medium. This effect has been studied in the case of Xi particles and showed that jet-quenching affects also baryons and also that they have a different behaviour than the mesons. A particle type dependance has been shown in agreement to coalescence models claiming that hadrons come from quark recombination. This point highlights the fact that quarks may be the relevant degree of freedom.
From these results among others, some theoricians claim the QGP discover at RHIC but experimentalists are more careful and prefer to confirm their results with the study of other signatures.These last five years were particularly exciting with the progress of our knowledges thanks to the wonderful results produced by the fourth RHIC experiments. The QGP has evolved : it is not anymore a perfect plasma without any interactions but a sQGP.
After 20 years of research in Europe and United States, CERN annnnounced (on february 20th, 2000)that a particular state of matter as been created, compatible with a QGP state, but it was not possible to characterize it completely.
RHIC experiments then take over. Today, all the numerous new results that have been collected let us believe that indeed an atypical state of nuclear matter has been reated at RHIC and our understanding of the QGP as a perfect partonic state without any interaction has been reviewed. A new acronym has been defined : sQGP for Strongly Interacting QGP.
This has been obtained by the characterization of the heavy ion collision evolution, from a chemical and dynamical point of view, by comparing effect in heavy ion collisions (for which conditions should be satisfied to form a QGP to collisions at lower energies or involving lighter ions that can not produce the requiered conditions. The QGP is indeed to furtive to be probed directly. My "Habilitation à Diriger des Recherches" presents results of the analyses that I have directed and that contributed to highlight the formation of a new state of matter at RHIC and this new conception of the QGP. Signs of the QGP have been searched with strange particles : resonances of particles containing one strange quark and baryons with two strange quarks.
The production of strange resonances provides indeed information on the hadronization phase (when partons recombined in hadrons) : according to their measurement or not, it is possible to characterize the chemical freeze-out (at which inelastic interactions stop) and cinetic freeze-out (at which elastic interactions stop), if these two freeze-outs coincide or not, if there is some delay between them. The idea is the following : Lambdas(1520) rescatters in a proton and a kaon. Hence, if the time between both freeze-outs is long, products of the desintegration can be rescattered in the dense medium. However, if both freeze-outs coincide or are very close, products of the desintegration are not influenced and the particle mother (resonance) can be identified. Thus, by measuring yields of production of resonances in proton-proton collisions (for which freeze-out coincide)and by comparing to the yields obtained in Au–Au collisions, it appears that indeed at least both freeze-outs are separated by 4 fm/c in Au–Au collisions. This conclusion is an important step in the understanding of ultra_relativistic heavy ion collisions. This analyse was very original within the STAR Collaboration because it was the first study done on strange resonances. Dedicated algorithms have been developed and are used in the collaboration which studies various other resonances or exotic particles.
The production of strange baryons was extensively investigated in the passed experiments since an anormal enhancement of the yields of production is expected if a QGP is formed. CERN experiments have indeed observed an overproduction of strangeness in Pb-Pb collisions but were not able to conlude if a QGP has been created or not since it was possible to explain their results by hadronic gas models. We have realised a similar analysis with the STAR data by comparing the yields of multi-strange baryons (Xi containing two strange quarks), in proton–proton and Au–Au collisiobs at sqrt(s_NN) = 200 GeV. Again, results remain ambigous. These results lead some physicists to the conclusion that strange particle yields can not be viewed as a potential signature of the QGP. However, strangeness comes on stage in a more indirect manner, providing very various information and on the various phases of the collision.
Xi particles indicated firstly that the system created at the full energy at RHIC is thermally and chemically equilibrated (at least in strangeness production. Chemical freeze-out temperatures are close to the temperature predicted by QCD for the phase transition. We have also investigated dynamical collective effects (flow phenomenon) coming from interactions between constituants and lead to an emision of matter in particular directions in phase space. In agreement with their small interaction cross sections, Xi baryons seem to decouple earlier than the lighter particles. However, the fact that baryons suffer a substantial flow, may indicate that they have develop a flow hence that they encountered interactions, before the hadronic phase, differently speaking during the partonic phase. Partons seem to interact ontrarily to the first expectations and predictions of the theoricians 20 years ago.
Moreover, during 2003, the fourth RHIC experiments revealed conjointly the discover of the jet-quenching effect in heavy ion collisions : it corresponds to a suppression of charged particles at high transverse momentum which is nowadays explained by the energy loss of partons in a dense medium. This effect has been studied in the case of Xi particles and showed that jet-quenching affects also baryons and also that they have a different behaviour than the mesons. A particle type dependance has been shown in agreement to coalescence models claiming that hadrons come from quark recombination. This point highlights the fact that quarks may be the relevant degree of freedom.
From these results among others, some theoricians claim the QGP discover at RHIC but experimentalists are more careful and prefer to confirm their results with the study of other signatures.These last five years were particularly exciting with the progress of our knowledges thanks to the wonderful results produced by the fourth RHIC experiments. The QGP has evolved : it is not anymore a perfect plasma without any interactions but a sQGP.
A l'instar des trois autres expériences auprès du collisionneur RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) du Brookhaven National Laboratory près de New York, STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) est entièrement consacrée à la mise en évidence de cet état particulier de la matière nucléaire prédit par les calculs de QCD (Quantum ChromoDynamics) sur réseau : le plasma de quarks et de gluons (QGP pour Quark Gluon Plasma). Cet état, supposé être celui de l'Univers quelques fractions de secondes après le Big Bang, consisterait d'après sa définition originelle de 1975, en une matière dans laquelle quarks et gluons seraient déconfinés, sans interaction. Il pourrait être créé en laboratoire lors de collisions d'ions lourds réalisées à des énergies ultra-relativistes afin d'atteindre des températures et densités d'énergie extrêmes.
Après quasiment 20 ans de recherche auprès des différents accélérateurs de particules américains et européens, le CERN annonce le 10 février 2000 au cours d'une conférence de presse, la mise en évidence expérimentale d'un état particulier de la matière nucléaire, compatible avec la formation d'un QGP, sans pouvoir toutefois le caractériser pleinement. Les expériences du RHIC ont alors pris le relais. Aujourd'hui, au travers une pléthore de résultats nouveaux et parfois bien surprenants, il apparaît de façon de plus en plus certaine, qu'effectivement un état atypique de matière nucléaire a été créé à RHIC et notre vision du QGP comme un gaz parfait de partons n'interagissant que très faiblement, a depuis changé. Un nouvel acronyme a été défini : sQGP pour Strongly Interacting QGP.
Pour parvenir à cette observation, il a fallu passer par la caractérisation même de l'évolution des collisions d'ions lourds, du point de vue chimique et dynamique, en comparant les phénomènes des collisions d'ions lourds pour lesquelles les conditions devraient être réunies pour former un QGP à des collisions d'énergies moindres ou de systèmes plus légers qui ne peuvent permettre cette formation. Le QGP est en effet produit de manière beaucoup trop furtive pour pouvoir le sonder directement. Mon mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente les résultats des analyses que j'ai menées et qui ont contribué à la mise en évidence de la formation d'un état nouveau au RHIC et à cette nouvelle vision du plasma. Les stigmates du QGP ont été recherchés avec les particules contenant des quarks étranges : les résonances de particules simplement étranges et les baryons doublement étranges.
La production des résonances étranges Lambda(1520) apporte en effet des informations sur la phase d'hadronisation du plasma (lorsque les partons se recomposent en hadrons) : selon leur observation ou non, il pourrait être possible de caractériser le freeze-out chimique (instant où les interactions inélastiques cessent et la composition chimique du système est figée), le freeze-out cinétique (instant où les interactions élastiques cessent et les particules n'interagissent plus), si ces deux freeze-out coïncident ou si, au contraire ils sont séparés dans le temps et de combien. L'idée est la suivante : les Lambdas(1520) se désintègrent quasiment instantanément en un proton et un kaon. Par conséquent, si le temps entre les freeze-out chimique et cinétique est long, les produits de désintégration de ces particules peuvent être absorbés dans le milieu dense qui a été créé. En revanche, si les deux freeze-out coïncident ou sont très proches, les produits de désintégration ne sont pas affectés et la particule mère, c'est-à-dire la résonance, peut être identifiée. Ainsi, en mesurant les taux de production de ces particules dans les collisions proton–proton pour lesquelles les deux freeze-out coïncident, et en comparant les taux obtenus dans les collisions Au–Au, à l'énergie nominale du RHIC, il est apparu qu'effectivement, au moins 4 fm/c séparent les deux freeze-out dans les collisions Au–Au. Cette conclusion constitue une étape importante dans la compréhension des collisions d'ions lourds ultra-relativistes et du comportement de la matière dans des conditions extrêmes. Cette analyse est apparue comme originale au sein de la collaboration STAR, étant la première étude sur les résonances étranges. Des algorithmes spécifiques ont dû être mis au point et sont largement utilisés au sein de la collaboration qui depuis étudie de nombreuses autres résonances ou recherche des objets plus exotiques.
La production des baryons étranges a été largement investiguée les années passées car une augmentation « anormale » des taux de production est attendue si un QGP est formé. Les expériences du CERN ont observé effectivement une surproduction de l'étrangeté dans les collisions Pb–Pb mais n'ont pu conclure de manière décisive quant à une formation éventuelle d'un plasma car ces résultats pouvaient être également reproduits par des modèles de gaz de hadrons. Nous avons mené une analyse similaire avec les données de STAR en comparant les taux de production des Xi, baryons doublement étranges, dans les collisions proton–proton et Au–Au à sqrt(s_NN) = 200 GeV. Là aussi, les résultats sont demeurés ambigus. Ainsi, ces résultats ont conduit un certain nombre de physiciens à ne plus considérer les taux de production de particules étranges comme une signature robuste de la formation d'un QGP. En revanche, l'étrangeté est revenue sur le devant de la scène, de façon plus indirecte donnant des informations très diverses et sur les différentes étapes de la collision.
Les Xi ont révélé tout d'abord que le système créé à l'énergie nominale du RHIC serait en équilibre thermique et chimique et que les températures de freeze-out chimique sont proches de la température de déconfinement prédite par QCD. Nous avons également étudié les phénomènes dynamiques collectifs, appelés flot, qui naissent des interactions entre constituants et se traduisent par une émission de matière dans des directions privilégiées de l'espace de phase. En accord avec leurs faibles sections efficaces d'interaction, les Xi semblent émis bien plus tôt que les particules plus légères. Toutefois, le fait que ces baryons subissent un flot important, laisse supposer qu'elles auraient développé un flot, donc qu'elles auraient été soumises à des interactions, avant la phase d'hadronisation, autrement dit, dans une phase partonique. Les partons subiraient donc des interactions résiduelles, contrairement à ce que préconisaient les théoriciens du milieu des années soixante-dix.
Par ailleurs, en 2003, les quatre expériences du RHIC ont révélé conjointement la mise en évidence du phénomène de jet-quenching dans les collisions d'ions lourds : il traduit une diminution de la production de particules chargées de très haute impulsion transverse s'expliquant par la perte d'énergie des partons dans un milieu très dense. Nous avons réalisé cette analyse en considérant les X et montré que non seulement ces baryons subissent un jet-quenching mais aussi qu'ils ont un comportement différent de celui des mésons. Une dépendance des phénomènes dynamiques au type de particules a ainsi été mise en évidence en accord avec les modèles de coalescence préconisant que les hadrons se forment à partir de la recombinaison des quarks. Là aussi, émergence des partons comme degrés de liberté pertinents.
A partir de ces résultats entre autres, certains théoriciens affirment la découverte du QGP à RHIC mais les expérimentateurs sont plus prudents et désirent auparavant confirmer et enrichir leurs résultats par l'étude d'autres observables qui viendraient corroborer ces observations. Ces années ont été particulièrement stimulantes par l'évolution de nos connaissances grâce aux formidables résultats produits par les quatre expériences du RHIC. Les « vielles » signatures ont fait peau neuve se transformant en sondes nouvelles et riches en informations originales. La conception du QGP a évolué : il ne s'agit plus d'un gaz parfait constitué de partons évoluant librement mais d'un sQGP.
Après quasiment 20 ans de recherche auprès des différents accélérateurs de particules américains et européens, le CERN annonce le 10 février 2000 au cours d'une conférence de presse, la mise en évidence expérimentale d'un état particulier de la matière nucléaire, compatible avec la formation d'un QGP, sans pouvoir toutefois le caractériser pleinement. Les expériences du RHIC ont alors pris le relais. Aujourd'hui, au travers une pléthore de résultats nouveaux et parfois bien surprenants, il apparaît de façon de plus en plus certaine, qu'effectivement un état atypique de matière nucléaire a été créé à RHIC et notre vision du QGP comme un gaz parfait de partons n'interagissant que très faiblement, a depuis changé. Un nouvel acronyme a été défini : sQGP pour Strongly Interacting QGP.
Pour parvenir à cette observation, il a fallu passer par la caractérisation même de l'évolution des collisions d'ions lourds, du point de vue chimique et dynamique, en comparant les phénomènes des collisions d'ions lourds pour lesquelles les conditions devraient être réunies pour former un QGP à des collisions d'énergies moindres ou de systèmes plus légers qui ne peuvent permettre cette formation. Le QGP est en effet produit de manière beaucoup trop furtive pour pouvoir le sonder directement. Mon mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente les résultats des analyses que j'ai menées et qui ont contribué à la mise en évidence de la formation d'un état nouveau au RHIC et à cette nouvelle vision du plasma. Les stigmates du QGP ont été recherchés avec les particules contenant des quarks étranges : les résonances de particules simplement étranges et les baryons doublement étranges.
La production des résonances étranges Lambda(1520) apporte en effet des informations sur la phase d'hadronisation du plasma (lorsque les partons se recomposent en hadrons) : selon leur observation ou non, il pourrait être possible de caractériser le freeze-out chimique (instant où les interactions inélastiques cessent et la composition chimique du système est figée), le freeze-out cinétique (instant où les interactions élastiques cessent et les particules n'interagissent plus), si ces deux freeze-out coïncident ou si, au contraire ils sont séparés dans le temps et de combien. L'idée est la suivante : les Lambdas(1520) se désintègrent quasiment instantanément en un proton et un kaon. Par conséquent, si le temps entre les freeze-out chimique et cinétique est long, les produits de désintégration de ces particules peuvent être absorbés dans le milieu dense qui a été créé. En revanche, si les deux freeze-out coïncident ou sont très proches, les produits de désintégration ne sont pas affectés et la particule mère, c'est-à-dire la résonance, peut être identifiée. Ainsi, en mesurant les taux de production de ces particules dans les collisions proton–proton pour lesquelles les deux freeze-out coïncident, et en comparant les taux obtenus dans les collisions Au–Au, à l'énergie nominale du RHIC, il est apparu qu'effectivement, au moins 4 fm/c séparent les deux freeze-out dans les collisions Au–Au. Cette conclusion constitue une étape importante dans la compréhension des collisions d'ions lourds ultra-relativistes et du comportement de la matière dans des conditions extrêmes. Cette analyse est apparue comme originale au sein de la collaboration STAR, étant la première étude sur les résonances étranges. Des algorithmes spécifiques ont dû être mis au point et sont largement utilisés au sein de la collaboration qui depuis étudie de nombreuses autres résonances ou recherche des objets plus exotiques.
La production des baryons étranges a été largement investiguée les années passées car une augmentation « anormale » des taux de production est attendue si un QGP est formé. Les expériences du CERN ont observé effectivement une surproduction de l'étrangeté dans les collisions Pb–Pb mais n'ont pu conclure de manière décisive quant à une formation éventuelle d'un plasma car ces résultats pouvaient être également reproduits par des modèles de gaz de hadrons. Nous avons mené une analyse similaire avec les données de STAR en comparant les taux de production des Xi, baryons doublement étranges, dans les collisions proton–proton et Au–Au à sqrt(s_NN) = 200 GeV. Là aussi, les résultats sont demeurés ambigus. Ainsi, ces résultats ont conduit un certain nombre de physiciens à ne plus considérer les taux de production de particules étranges comme une signature robuste de la formation d'un QGP. En revanche, l'étrangeté est revenue sur le devant de la scène, de façon plus indirecte donnant des informations très diverses et sur les différentes étapes de la collision.
Les Xi ont révélé tout d'abord que le système créé à l'énergie nominale du RHIC serait en équilibre thermique et chimique et que les températures de freeze-out chimique sont proches de la température de déconfinement prédite par QCD. Nous avons également étudié les phénomènes dynamiques collectifs, appelés flot, qui naissent des interactions entre constituants et se traduisent par une émission de matière dans des directions privilégiées de l'espace de phase. En accord avec leurs faibles sections efficaces d'interaction, les Xi semblent émis bien plus tôt que les particules plus légères. Toutefois, le fait que ces baryons subissent un flot important, laisse supposer qu'elles auraient développé un flot, donc qu'elles auraient été soumises à des interactions, avant la phase d'hadronisation, autrement dit, dans une phase partonique. Les partons subiraient donc des interactions résiduelles, contrairement à ce que préconisaient les théoriciens du milieu des années soixante-dix.
Par ailleurs, en 2003, les quatre expériences du RHIC ont révélé conjointement la mise en évidence du phénomène de jet-quenching dans les collisions d'ions lourds : il traduit une diminution de la production de particules chargées de très haute impulsion transverse s'expliquant par la perte d'énergie des partons dans un milieu très dense. Nous avons réalisé cette analyse en considérant les X et montré que non seulement ces baryons subissent un jet-quenching mais aussi qu'ils ont un comportement différent de celui des mésons. Une dépendance des phénomènes dynamiques au type de particules a ainsi été mise en évidence en accord avec les modèles de coalescence préconisant que les hadrons se forment à partir de la recombinaison des quarks. Là aussi, émergence des partons comme degrés de liberté pertinents.
A partir de ces résultats entre autres, certains théoriciens affirment la découverte du QGP à RHIC mais les expérimentateurs sont plus prudents et désirent auparavant confirmer et enrichir leurs résultats par l'étude d'autres observables qui viendraient corroborer ces observations. Ces années ont été particulièrement stimulantes par l'évolution de nos connaissances grâce aux formidables résultats produits par les quatre expériences du RHIC. Les « vielles » signatures ont fait peau neuve se transformant en sondes nouvelles et riches en informations originales. La conception du QGP a évolué : il ne s'agit plus d'un gaz parfait constitué de partons évoluant librement mais d'un sQGP.
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