Laurent APHECETCHE, Xavier CAMARD, Hugues DELAGRANGE, David G. D'ENTERRIA, Yuri KHARLOV, Xiaomei LI, Ginés MARTINEZ1, Maria-Jesús MORA, Odd-Harald ODLAND2, Raquel ORTEGA3, Dmitri PERESSOUNKO et Yves SCHUTZ.
Motivations et Description du groupe.
L'objectif scientifique principal du groupe Photon de Subatech est la quête du plasma des quarks et des gluons, en utilisant les photons comme sonde de la matière nucléaire chaude et dense. Les photons ont la particularité de nous permettre d'étudier l'interaction du plasma avec les partons de grand moment transverse et d'étudier le rayonnement thermique du plasma. En fait, la détection des mesons neutres via leur décroissance électromagnétique en deux photons est une sonde unique permettant d'étudier l'interaction entre les partons très énergétiques et le plasma des quarks et des gluons. En outre, les photons, en sortant de la zone d'interaction sans pâtir aucune distorsion, nous donnent une information précieuse sur les caractéristiques initiales des partons diffusés et des premiers instants du nouveau état de la matière.
Dans les différentes expériences où le groupe PHOTON a travaillé, le calorimètre ou spectromètre électromagnétique (détecteur des photons par excellence) représente son outil expérimental clé pour mener à bien ses recherches. Notre groupe a développé depuis 10 ans un savoir-faire de haute qualité concernant ce type de dispositifs expérimentaux: matériaux de scintillation organiques et inorganiques, photo-détecteurs dans le visible et ultraviolet, détecteurs de veto et d'identification de photons (détecteurs phoswich, détecteurs plastiques et chambre à gaz), identification des photons dans des milieux fortement hadroniques, identification des mesons neutres, contrôle en ligne et étalonnage des calorimètres, simulation et développement logiciel d'analyse orienté objet pour la reconstruction des photons, etc...
Notre groupe est constitué de 4 chercheurs CNRS, 3 chercheurs "post-doctoraux" (1 poste d'Armines, École des Mines de Nantes, 1 poste de la région et 1 poste de la CEE) et 4 étudiants de thèses (de la Région, du Ministère, de l'Ecole des Mines et en collaboration avec l'Universitat Autònoma de Barcelona). Pour mener à bien ces recherches nous avons établi plusieurs coopérations internationales avec le Oak-Ridge National Laboratory (collaboration NSF-IN2P3 avec les USA), avec l'Université de Barcelone et Valence (collaboration IN2P3-CICYT avec l'Espagne), avec l'Université de Munster (collaboration PICS avec l'Allemagne), avec le Kurchatov Institute (projet INTAS avec la Russie) et avec l'Université de Varsovie (Collaboration IN2P3). S'intéressant à la formation du plasma de quarks et gluons dans le laboratoire, notre groupe prépare l'expérience ALICE (auprès du futur accélérateur LHC au CERN, Suisse), et participe à l'expérience PHENIX (auprès de l'accélérateur RHIC au BNL, USA, en fonctionnement depuis le mois de mai 2000) et réalise l'analyse des données de l'expérience WA98.
ALICE: Calorimètre et Spectromètre Électromagnétique d'ALICE
Synthèse de Yves SCHUTZ
Pour l'expérience ALICE, nous participons à la construction du calorimètre électromagnétique d'ALICE, PHOS (PHOton Spectrometer) qui construit le spectromètre de photons de l'expérience. Nous avons mené pendant deux ans un programme de R&D dans le but d'améliorer de façon sensible le pouvoir d'identification des particules du spectromètre [1]. Pour cela, nous avions imaginé un détecteur pied de gerbe basé sur une nouvelle technologie des détecteurs MICROMEGAS, détecteurs gazeux de très faibles épaisseurs [2,3]. Avec le remplacement des photodiodes de type PIN par des photodiodes de type APD pour la lecture de la lumière émise dans les scintillateurs, nous avons, cependant, trouvé plus avantageux de discriminer les particules électromagnétiques des hadrons par la mesure de leur temps de vol. Nous avons donc abandonné l'option détecteur de pied de gerbe. Ce développement nous a permis d'être capables de construire des chambre à gaz type MICROMEGAS de grande surface active et développer de nouvelles techniques des construction de ce type de détecteurs [4].
Nous travaillons également aux logiciels orientés objets de simulation et reconstruction (entièrement rédigés par notre groupe) des événements détectés par le spectromètre et le groupe est chargé, pour la collaboration PHOS, de la coordination de cette activité. Nous participons également, en tant que coordonnateur pour l'ensemble de la collaboration française ALICE, aux développements qui permettront avec le Centre de Calcul de l'IN2P3, de mettre sur pied un environnement de calcul distribué et de données distribuées (projet européen DataGRID).
La coordination de l'analyse de reconstruction de PHOS nous a permis d'avoir une implication très forte dans le développement et optimisation du calorimètre [5].
En attendant les premières collisions du LHC, les années à venir vont être entièrement consacrées à la préparation de l'expérience ALICE. Cette préparation s'appuiera sur deux axes.
PHENIX: Résultats de l'expérience PHENIX pour les collisions Au+Au à sqrt(s)=130A GeV auprès de RHIC.
Synthèse de David G. D'ENTERRIA
Le but principal des expériences menées avec le collisioneur d'ions lourds ultra relativistes RHIC à Brookhaven (USA) est la production et l'étude des propriétés du "plasma des quarks et gluons" (QGP), l'état de la matière hadronique à de très hautes températures et/ou grandes densités attendues d'après les résultats de calculs sur réseau de la théorie de l'interaction forte (QCD). L'expérience PHENIX a mesuré une grande variété d'observables physiques pour les collisions Au+Au à sqrt(s)= 130A GeV pendant la première campagne de RHIC en 2000. Près de 5 millions d'événements de "biais minimum", détectés dans les 2 bras centraux de PHENIX formés de plusieurs détecteurs de particules chargées (DC, PC, TOF, RICH) et 2 calorimètres électromagnétiques, ont été enregistrés de juin à septembre 2000. Dans les collisions centrales Au+Au, la densité d'énergie atteinte, calculée via la prescription de Bjorken à partir de l'énergie transverse dET/dh mesurée à mi-rapidité, est de 4.6 GeV/fm3, c'est-a-dire une valeur ~60% supérieure à celle mesurée dans le système Pb+Pb aux énergies CERN-SPS [1]. La multiplicité de particules chargées mesurée par unité de rapidité à mi-rapidité est de dNch/dh = 622 G 1(stat) G 41(syst) [2] pour le même type de réactions et représente une augmentation d'envrion 70% par rapport aux résultats pour les collisions Pb+Pb au SPS. La dépendance de dNch/dh en fonction du nombre de nucléons participants Npart (soit une valeur supérieure de 40% pour les collisions centrales par rapport à celles périphériques) montre une augmentation plus rapide qu'une simple évolution linéaire en Npart, et signale une contribution significative des processus durs parton-parton (proportionnelle au nombre de collisions binaires inélastiques nucléon-nucléon) dans les mécanismes de production des particules. Cette évolution permet de tester en détail les prédictions de plusieurs modèles de production de particules comme le modèle "à 2 composantes" (dure+moue, considérer HIJING, par exemple) et les modèles fondés sur la base de l'existence d'une importante saturation gluonique dans l'état initial des noyaux en collision (voir par exemple, EKRT, Kharzeev-Nardi). En outre, des résultats préliminaires du rapport d'antiprotons sur protons à mi-rapidité donnent une valeur de pbar/p = 0.64 G 0.01 G 0.08 avec une très petite dépendance avec la centralité et avec pT[3]. Ceci indique que 2/3 des baryons mesurés à mi-rapidité sont produits en paires et que la densité baryonique dans la zone de collision est beaucoup plus proche de la limite de densité baryonique nulle ("baryon free") aux énergies RHIC qu'au SPS (le potentiel baryo-chimique associé à ce valeur de pbar/p est, d'après les modèles statistiques, de mB~45 MeV à comparer avec mB~250 MeV au SPS). L'analyse préliminaire de l'asymétrie de l'écoulement azimutal donne une valeur de la composante elliptique v2 plus grande que celle obtenue dans les collisions à plus basses énergies et indique une forte rediffusion (c'est-à-dire une thermalisation) dans la phase initiale de la réaction. Par contre, les premières analyses d'interférométrie HBT des paires de pions montrent que les rayons transverses à l'étape du gel ("freeze out") sont très similaires à ceux mesurés au SPS et, donc, que la taille de la source hadronique finale n'est pas aussi grande que celle prédit dans un scénario de transition de phase par certains modèles. Sans doute, les résultats les plus intéressants obtenus par PHENIX concernent les observables mesurées à grande impulsion transverse dans les collisions centrales. En effet, il a été observé que: (1) la production des baryons est égale à celle des mésons pour pT> 2 GeV/c [4], et (2) il existe une forte suppression de la section efficace des hadrons, dans l'intervalle 1 GeV/c <pT< 5 GeV/c, par rapport à celle observée dans les collisions périphériques (et par rapport aussi aux valeurs mesurées dans les collisions p+p rapportées au nombre de collisions inélastiques dans Au+Au) [5]. La première observation est intrigante dans la mesure ou le rapport (anti)baryons/(anti)mesons à pT= 2 GeV/c vaut ~0.3 dans le cas des collisions p+p aux valeurs d'énergie disponible, comparables, et ~0.1 pour les collisions A+A à plus basses énergies. Ceci fait appel soit à un fort effet d'entraînement dû à l'écoulement radial collectif dans les réactions Au+Au aux énergies RHIC (l'écoulement, proportionnel à la masse de la particule, est plus important pour les baryons que pour les mesons), soit à des mécanismes plus exotiques de production de baryons ("baryon junctions"). La deuxième observation, plus excitante encore, indique que, bien que le spectre en pT des particules chargées et des pions neutres émis dans les collisions périphériques Au+Au, peut être expliqué par une simple extrapolation de ce qui est observé dans les collisions p+p, le même spectre mesuré dans les collisions centrales présente une effet de une suppression significatif au dessus de p_t ~ 1.0 GeV/c. En effet, le rapport R(pT)=(1/Ncoll)dNAA/dNpp est, significativement, inférieur à 1 (R ~ 0.5) à grande impulsion transverse (voir Fig. 1), tandis qu'une valeur de R~2 est mesurée aux énergies SPS. Cela est dû aux effets de multi-diffusion partonique dans l'état initial des noyaux ("effet Cronin"). Ce n'est pas clair qu'une suppression si forte puisse être seulement générée par un autre effet nucléaire dans l'état initial comme l'effet d'ombre ("shadowing") répercuté dans la fonction de structure des gluons dans le noyau. Mais, au contraire, elle peut être plutôt indicative d'un effet du milieu après la collision "dure", tel que l'inhibition de jets ("jet quenching") qui, d'après les prédictions de plusieurs calculs théoriques, serait due à une perte d'énergie partonique dans le QGP.
Fig. 1. Rapport R(pT)=(1/Ncoll)dNAA/dNpp pour les hadrons chargés et les pions neutres mesurés dans les collisions centrales Au+Au à RHIC (R~0.5) et Pb+Pb à SPS (R~2) . Fig. extraite de [5].
[1] Phys. Rev. Lett. 87, 52301(2001); nucl-ex/0012008
WA98: Mesure de la production des photons directs et des pion neutres dans le collisions p+C et p+Pb aux énergies SPS, 160A GeV.
Synthèse
de Ginés MARTINEZ et Maria-Jesús MORA
Aux énergies SPS, le spectre des photons directs dans les collisions Pb+Pb a été mesuré par l'expérience WA98 [1]. Le spectre de photons présente deux origines bien distincts. D'un côté, les photons sont produits lors des premiers interactions entre les partons des nucléons (photons prompt). D'autre côté, les photons sont aussi produits par le rayonnement thermique du plasma des quarks et des gluons, s'il est produit, et du gaz de hadrons (photons thermiques). Il s'avère qu'aux énergies SPS, la contribution "prompt" et la contribution "thermique" sont similaires dans la région cinématique mesurée et pour être capable d'étudier les propriétés du plasma, nous devons, d'abord, évaluer la contribution des photons prompt au spectre de photons directs. Malheureusement, le seul modèle calculable de QCD que nous pouvons utiliser est la méthode perturbative de QCD et nous savons qu'il y a une très grande incertitude théorique pour pouvoir évaluer cette contribution (Conférence Quark Matter 2001):
En outre, la mesure
des pions neutres dans les collisions p+A nous a permis d'étudier
l'éventuel existence de la suppression des particules de grande
impulsion transverse (pT) dans les collisions centrales A+A
[3,4]. Les résultats obtenus montrent que, dans le domaine en pT
entre 1 et 3.5 GeV/c, il n'y pas de suppression des particules dans le
collision centrales Pb+Pb à 158A GeV [2].
[1] Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 3595.
Fig. 1. Sections efficaces différentielles mesurées dans les collisions centrales Pb+Pb à 158A GeV [2] et dans les collisions p+Pb à 160 GeV[4]. Fig. Extraite de [4].
Liste
des Publications du groupe PHOTONS de SUBATECH en 2001