Les phases de la mati re nucl aire
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Les phases de la matière nucléaire. Exploration du diagramme de phase : La transition liquide-gaz La matière baryonique comprimée Le plasma de quarks et de gluons. Pourquoi ? Une prolongation du Modèle Stan dard.

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Les phases de la matière nucléaire

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Presentation Transcript


Les phases de la mati re nucl aire

Les phases de la matière nucléaire

Exploration du diagramme de phase :

La transition liquide-gaz

La matière baryonique comprimée

Le plasma de quarks et de gluons

Journées Prospectives


Pourquoi une prolongation du mod le stan dard

Pourquoi ?Une prolongation du Modèle Standard

  • Appliquer MS aux systèmes complexes, de tailles finies et en évolution dynamique :

    • Comment les phénomènes collectifs et les propriétés macroscopiques de systèmes mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté découlent des lois microscopiques de la physique des particules.

    • La physique des IL, en étudiant la matière nucléaire chaude et dense, répond à cette question dans le secteur de l’interaction forte.

Journées Prospectives


Pourquoi une prolongation du mod le standard

Pourquoi ?Une prolongation du Modèle Standard

  • La physique des IL crée de la matière nucléaire dans des conditions loin de son état d’équilibre pour tester l’interaction forte à diverses échelles :

    • T  LQCD  200 MeV(e > GeV/fm3)  partons interaction forte ;

    • T  10 MeV  nucléons  interaction nucléaire.

Journées Prospectives


Comment une approche interdiscip linaire

Comment ?Une approche interdisciplinaire

  • Les principes en jeu :

    • Physique nucléaire ;

    • Physique des particules élémentaires ;

    • Thermodynamique et hydrodynamique de systèmes mésoscopiques chauds et denses.

Journées Prospectives


Les d fis

Les défis

  • Expérimentaux :

    • Déterminer les observables sensibles ;

    • Extraire les signatures des événements sous-jacents ;

    • Corréler les signatures ;

    • Déconvoluer les effets de la dynamique…

  • Théoriques :

    • Faire le lien entre les principes premiers (équilibre) et l’environnement réel de l’expérience (hors équilibre) phénoménologie.

Journées Prospectives


Une strat gie

Une stratégie

  • Une transition de phase, dans le monde macroscopique, se manifeste par des transformations abruptes des propriétés du système.

  • Chercher des modifications rapides des propriétés du système nucléaire avec l’évolution de variables globales caractérisant la collision IL.

Journées Prospectives


Le diagramme de phase

INDRA

Le diagramme de phase

Transition liquide-gaz

Journées Prospectives


Transition liquide gaz

Transition liquide-gaz

  • Le noyau : la phase la mieux connue de la matière nucléaire

    • Nucléons liés par la force nucléaire

  • Similarité Vnn et forces de Van der Waals

    • T > Tc, r < rc : transition de phase (gaz réel, 1er ordre)

      Liquide (matière nucléaire dans noyau) Gaz (matière de nucléons non liés)

Journées Prospectives


Transition liquide gaz quation d tat

Transition liquide-gaz :Équation d’État

  • Région de coexistence liquide-gas

  • Région spinodale : instabilité mécanique, amplification des fluctuations

EOS

Journées Prospectives


Transition liquide gaz chauffer le noyau

Transition liquide-gaz :chauffer le noyau

  • Varier les paramètres de la voie d’entrée: AA (>40), Ecin (30A MeV-1000A MeV)

  • Sélectionner les événements selon variables globales: b, Mch, Et, TKE, angle d’écoulement,…

Journées Prospectives


Transition liquide gaz param tres d ordre

Transition liquide-gaz :paramètres d’ordre

  • Énergie d’excitation : calorimétrie

  • Température(s) :

    • Pentes des spectres des particules chargées légères ou des photons (équilibre cinétique)

    • Population relative état excité / état fondamental d’un même isotope (équilibre thermique)

    • Population doublement relative d’isotopes (équilibre thermique & chimique)

INDRA

Journées Prospectives


Transition liquide gaz calibrage des thermom tres

Transition liquide-gaz :calibrage des thermomètres

Modèle statistique + décroissance séquentielle + tailles finies des sondes

Tvraie

Tpente

Température apparente (MeV)

T2rapport(6Li/7Li)/(3He/4He)

T1rapport(6Li*/6Li)

Énergie d’excitation (MeV/nucléon)

Journées Prospectives


Transition liquide gaz calibrage du thermom tre photon

Transition liquide-gaz :calibrage du thermomètre photon

Température apparente (MeV)

Énergie d’excitation (MeV/nucléon)

Mesure de la température maximum du système

Journées Prospectives


Transition liquide gaz tat final

Énergie d’excitation

3-8A MeV

> 8A MeV

< 3A MeV

Transition liquide-gaz :état final

Journées Prospectives


Transition liquide gaz courbe calorique une vraie fausse signature

TAPS

Transition liquide-gaz :courbe caloriqueUne « vraie » fausse signature

Mesures plus exclusives, à volume constant (corrélations)

H(enthalpie) = U(énergie interne) + PV (énergie élastique)

Journées Prospectives


Transition liquide gaz c capacit calorifique 0 un apport d nergie refroidit le syst me

Transition liquide-gaz : C(capacité calorifique) < 0Un apport d’énergie refroidit le système

  • L’apparition de C<0 est prédite (approche microcanonique) dans de petits systèmes lors d’une transition de phase du premier ordre;

  • Mesure de C :

    • E* = Ecinétique + Epotentielle(Coulomb+excès de masse)

    • Mesure des fluctuations s2 de Ecinétique : C<0 si As2 > CkT2

Journées Prospectives


Transition liquide gaz c capacit calorifique 0 une observation sans ambigu t

Transition liquide-gaz : C(capacité calorifique) < 0Une observation sans ambiguïté

  • Preuve directe d’une transition de phase liquide-gaz du premier ordre

  • Mais modèle pour remonter au temps de gel

Journées Prospectives


Transition liquide gaz dynamique origine dynamique des fragments

10

5

0

Transition liquide-gaz :dynamiqueorigine dynamique des fragments

Cassure dynamique du système lors de son passage dans la région spinodale (transition 1er ordre)

Journées Prospectives


Transition liquide gaz dynamique un chronom tre

Transition liquide-gaz :dynamiqueun chronomètre

Mg/Atot

Mg = Rg(T) Vs ts

Temps (fm/c)

Température (MeV)

Température (MeV)

Journées Prospectives


Transition liquide gaz dynamique origine des fragments

Transition liquide-gaz :dynamiqueorigine des fragments ????

  • BOB :

    • Equation de transport

    • + champ moyen

    • + Inn

    • + dI

  • SMM (probabilité des partitions à l’équilibre statistique) :

    • fragments distribués aléatoirement dans le volume au temps de gel

    • + décroissance séquentielle

    • + expansion radiale

Journées Prospectives


Transition liquide gaz dynamique d composition spinodale

S

D

Transition liquide-gaz :dynamiquedécomposition spinodale !

  • Corrélation (DZ=0, Z=15) signale la partition de la fragmentation au moment du gel, caractéristique de l’interaction nucléaire

  • La dynamique est suffisamment chaotique pour explorer un grand domaine de l’espace de phase et valiser l’approche statistique

Journées Prospectives


Le diagramme de phase mati re baryonique dense

Le diagramme de phase Matière baryonique dense

FOPI

Journées Prospectives


Mati re baryonique dense

Matière baryonique dense

  • Déterminer l’EOS :

    r  2-5r0, T > 0

    • Écoulement (elliptique) collectif des particules (accumulation de pression dans la phase initiale de la collision)

    • Production de particules très en-dessous du seuil (accumulation d’énergie dans une cascade de collisions NN)

Journées Prospectives


Mati re baryonique dense restauration de la sym trie chirale

Matière baryonique denserestauration de la symétrie chirale

  • Formation des hadrons dans un milieu dense :

S(h)=S(nqvalence)+S(qqmer)+S(g)

Mh > Si=1,nMq

Sr(qqmer) < S vide(qqmer)

  • Dissolution des hadrons dans le milieu (HADES)

Journées Prospectives


Mati re baryonique dense supra conducteur de couleur

Matière baryonique densesupra conducteur de couleur ?

  • A très haute densité de toutes nouvelles phases (supraconducteur, structure cristalline) mais T dans IL aura tendance a faire fondre ces structures !

  • Ces états sont a chercher dans les systèmes astrophysiques (explosion de super nova, objets stellaires compacts)

Journées Prospectives


Le diagramme de phase mati re partonique

Le diagramme de phaseMatière partonique

Journées Prospectives


Mati re partonique faits marquants

Matière partoniqueFaits marquants

  • MS prédit l’occurrence de transitions de phase comme une conséquence de la brisure de symétries fondamentales de la nature (origine de la masse)et …

  • QCD sur réseau calcul qu’à Tc > 200 MeV, la matière est déconfinée et …

  • La symétrie chirale est approximativement restaurée : les quarks retrouvent leur petite masse

Journées Prospectives


Mati re partonique faits marquants1

Matière partoniqueFaits marquants

  • mB 0

  • Transition 1er ordre

  • Point critique

  • Tc170 MeV, mq0, Nf=2,3

  • Ordre de la transition : cross over

  • ec 0.3-1.3 GeV/fm3

Journées Prospectives


Mati re partonique faits marquants2

Matière partoniqueFaits marquants

  • 10 Février 2000 : «  … SPS … a new state of matter where quarks and gluons are not confined »

  • Juin 2000 RHIC : Au+Au sNN = 130 GeV

  • Mars 2001 RHIC : Au+Au sNN = 200 GeV

  • Avril 2007 LHC : Pb+Pb sNN = 5.5 TeV

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

Un événement Pb-Pb @ SPS (NA49)

sNN = 17 GeV

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

Un événement Au-Au @ RHIC (STAR) sNN = 130 GeV

STAR

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

Un événement Pb-Pb @ LHC (ALICE)

sNN = 5.5 TeV

Journées Prospectives


L re des collisionneurs

Central collisions

SPS

RHIC

LHC

s1/2(GeV)

17

200

5500

dNch/dy

500

650

3-8 x103

e (GeV/fm3)

2.5

3.5

15-40

Vf(fm3)

103

7x103

2x104

tQGP (fm/c)

<1

1.5-4.0

4-10

t0 (fm/c)

~1

~0.5

<0.2

L’ère des collisionneurs

  • Plus chaud et B 0 (QCD/réseau),

  • Plus dense (gaz parfait de quanta QCD) ,

  • Plus longtemps,

  • Nouvelles sondes: jets, g, Q, Z, W

  • Un nouveau domaine en x (QSA1/3/xd, CGC)

ALICE

Journées Prospectives


Les observables deux exp riences alice cms

Les observablesdeux expériences : ALICE & CMS

  • ALICE, l’expérience dédiée IL mise sur un PID unique qui s’appuie sur :

    • une trajectographie très performante permettant l’identification de vertex secondaires,

    • la spectrométrie haute résolution des e, m, g

  • CMS, est optimisé pour l’identification des leptons et jets à grands PT avec :

    • une calorimétrie excellente

    • et une très grande acceptance

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

Les observables globalesmultiplicité

dNch/dh ~ 2500

  • pph plus efficace dans le milieu que dans le vide

  • Q2S = N/R2A

  • Prédiction incertaine, il faut mesurer (1500-6000)

Journées Prospectives


Spectres de particules

STAR

99.5%

Spectres de particules

  • Hadrons mous dominent, témoins de la phase tardive (temps de gel)

  • Les caractéristiques de leur distribution dans l’espace de phase (Tf, mf, flots, HBT, EbE fluctuations,…) permet de remonter aux étapes ultérieures

  • Des hadrons de grand pT, fragments de partons (?)

Journées Prospectives


Quilibre cin tique et chimique

Équilibre cinétique et chimique

  • Hypothèse thermodynamique : les hadrons naissent en équilibre chimique …

  • Ou population statistique de l’espace de phase ?

Journées Prospectives


Coulement elliptique anisotropie spatiale anisotropie des moments

saturation de la limite hydrodynamique observée

Thermalisation achevée à T > Tc,

La pression responsable de l’expansion est générée par un QGP thermalisé

Mesure de EOS du QGP, p/e

Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale  anisotropie des moments

Journées Prospectives


Les sondes dures tomographie par jets

leading

particle suppressed

leading

particle

hadrons

hadrons

q

q

q

q

hadrons

hadrons

leading particle suppressed

leading particle

Les sondes durestomographie par jets

Dans le milieu, le parton perd de l’énergie selon la densité du milieu :

Jet : Fragmentation d’un parton diffusé par processus dur en des hadrons colimatés dans un cône

Journées Prospectives


Att nuation des hadrons de grand p t

A

P

Atténuation des hadrons de grand pT

Origine(s) : ralentissement des partons dans champ de couleur

shadowing nucléaire de S

modification Dzmilieu

pT ou xT ?

Journées Prospectives


Premi res observations de jets dans aa

Premières observations de jets dans AA

Perte de b2b:

désalignement, atténuation

Journées Prospectives


Les jets au lhc

100 GeV Di-Jet in pp

Les Jets au LHC

30-50 GeV

50-80 GeV

pT > 2 GeV/c

80-120 GeV

120-170 GeV

Hadrons de fragmentation

170-230 GeV

230-330 GeV

Fond sous-jacent

330-440 GeV

440-600 GeV

0 < pT < 50 GeV/c

Journées Prospectives


Les jets au lhc1

Les Jets au LHC

Grand pTaugmentent plus rapidement que le fond thermique

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

g, Z0

Étiquetage des jets par g ou Z0

Journées Prospectives


Les quarks lourds quarkonia et saveurs ouvertes

Écrantage de couleur

c

c

c

c

c

c

Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertes

Différents états sont dissous à différentes températures

Journées Prospectives


Les quarks lourds quarkonia et saveurs ouvertes1

Les Quarks lourdsquarkonia et saveurs ouvertes

Suppression normale

Suppression(s) anormale(s)

Drell-Yann est la référence

Journées Prospectives


Les quarks lourds charmonium au lhc

Les Quarks lourdscharmonium au LHC

  • beaucoup de cc (100) dans NN indépendants,

  • D+D  J/+X

  • B  J/

  • effets nucléaires (shadowing, quenching)

Augmentation ou Suppression du J/ ?

Journées Prospectives


Les quarks lourds quarkonia avec alice

Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICE

Canal +  -

2.5 < h < 4

Journées Prospectives


Les quarks lourds quarkonia avec alice1

Les Quarks lourdsquarkonia avec ALICE

Canal e+ e –

-0.5 < h < 0.5

J/

 , ’, “

Journées Prospectives


Les quarks lourds saveurs ouvertes avec alice d b

Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B

  • Perte d’énergie dans le milieu dense

  • Principale source de bruit dans +  - et e+ e –

  • Décroissance hadronique masque la production primordiale de J/

ALICE offre plusieurs méthodes d’identification

Journées Prospectives


Les quarks lourds saveurs ouvertes avec alice d b1

d0 < cut  résonances

d0 > cut  D,B mesons

Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B

  • directe : décroissance hadronique (ITS, TPC, TOF)

  • inclusive : continuum l+ l –

  • inclusive : e de grand pt avec vertex déplacé

Journées Prospectives


Les quarks lourds saveurs ouvertes avec alice d b2

Les Quarks lourdssaveurs ouvertes avec ALICE : D, B

  • décroissance semi-leptonique

D D  m+m-, e+e-, m+e-, m-e+ +X

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire en bref

Les phases de la matière nucléaire : en bref …

  • À très hautes températures :

    • ALICE performant dans le mou et dans le dur ;

    • La phase partonique est en vue ;

    • Étude d’un système organisé par l’interaction forte.

  • À densités élevées :

    • Les effets du milieu se font sentir (symétrie chirale) ;

    • Supraconductivité de couleurs ?

  • À basses températures/densités ;

    • Transition liquide-gaz du 1er ordre ;

    • La voie est ouverte pour une métrologie de la transition.

Journées Prospectives


Merci

Merci à

  • Nicole Bastid, Bernard Borderie, Philippe Chomaz, Jean-Pierre Coffin, Philippe Crochet, Hugues Delagrange, Pierre Desesquelles, David d’Enterria, Gines Martinez, Grazyna Odyniec, Christelle Roy, Ermano Vercellin,

  • Aux collaborations ALICE, CMS, INDRA, PHENIX, STAR

Journées Prospectives


Vaporation de particules phase liquide

Évaporation de particules : phase liquide

Le noyau modérément chaud évapore des particules légères selon une distribution de Maxwell caractéristique de la température

Journées Prospectives


Multifragmentation coexistence des phases

Multifragmentation : coexistence des phases

À plus haute température, le système se fragmente en éléments plus lourds que He

Multiplicité réduite

Énergie d’excitation (MeV/nucléon)

Journées Prospectives


Vaporisation phase gazeuse gaz r el de fermions et de bosons en quilibre thermique et chimique

Vaporisation : phase gazeuse(gaz réel de fermions et de bosons en équilibre thermique et chimique)

Température (MeV)

Mi/Ms (%)

À plus haute température encore, le système se dissocie en éléments légers: p, n, He

Énergie d’excitation (MeV/nucléon)

Journées Prospectives


Mesure du volume au temps de gel corr lations en vitesse relative de fragments

Mesure du volume au temps de gelcorrélations en vitesse relative de fragments

Au moment du gel, les fragments occupent un volume égal à 8-6 le volume nucléaire normal

Journées Prospectives


Coulement elliptique anisotropie spatiale anisotropie des moments1

Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale  anisotropie des moments

Journées Prospectives


Coulement elliptique anisotropie spatiale anisotropie des moments2

Écoulement elliptiqueanisotropie spatiale  anisotropie des moments

Journées Prospectives


Le nombre net de baryons 0

Le nombre net de baryons  0

Journées Prospectives


Les phases de la mati re nucl aire

Journées Prospectives


Transition liquide gaz1

Transition liquide-gaz :

  • Améliorer la compréhension théorique (compétences interdisciplinaires) :

    • des transitions de phase dans les systèmes finis matière nucléaire, hors équilibre

    • du transport stochastique des ensembles de fermions

  • Compléter les mesures pour une métrologie de la transition de phase avec (des détecteurs universels, Z, A , n, g, 4p) :

    • la recherche de nouvelles variables d’ordre,

    • la sélection d’ensemble statistiques d’événements dont on étudiera les fluctuations,

    • la vérification de nouvelles prédictions comme la distillation de la matière neutronique (instabilités spinodales chimiques)

Journées Prospectives


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