Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées

Interaction forte et plasma de quarks et de gluons

Une thématique principale est l'étude de l'interaction forte dans un domaine d'énergie allant du GeV au TeV. La matière nucléaire ordinaire (les noyaux atomiques dans des conditions "normales" de température et de pression) est constituée de protons et de neutrons (nucléons), lesquels sont composés de particules élémentaires appelées quarks et gluons soumises à l'interaction forte. Les particules composites constituées de quarks et de gluons (et donc sensibles à l'interaction forte), dénommées hadrons, comprennent en plus des nucléons toute une collection de particules de durée de vie brève (pions, kaons, hypérons, quarkonia,...).

La théorie fondamentale de l'interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD pour "Quantum Chromodynamics"), est exprimée au niveau mathématique en fonction des seuls quarks et gluons.  Depuis son élaboration au début des années 1970, la QCD a été testée et vérifiée (et continue à l'être) dans des collisions impliquant des hadrons d'énergie supérieure à la masse du nucléon (d'ordre \(1 \,\rm{GeV}/c^2\)) et permettant ainsi de sonder le contenu des hadrons en quarks et gluons.  Dans le domaine d'énergie \(Q \gg 1 \,\rm{GeV}\), la constante de couplage \(\alpha_s\) de QCD devient petite (c'est la propriété de liberté asymptotique de QCD, voir Figure ci-contre), et les techniques bien établies des calculs perturbatifs en théorie des champs peuvent être utilisées. Bien que la QCD n'atteigne pas, dans ses prédictions, le degré de précision de l'electrodynamique quantique (QED), c'est en raison du succès de la QCD perturbative (PQCD) qu'il est actuellement établi que la QCD est la théorie fondamentale correcte de l'interaction forte.

Il est ainsi communément admis que toutes les propriétés de l'interaction forte doivent en principe découler de l'expression mathématique de la QCD. Cependant, certaines observations résistent toujours à une démonstration à partir des premiers principes. En particulier, la propriété de confinement des quarks et gluons -- le fait que les seules particules sensibles à l'interaction forte détectées expérimentalement soient des hadrons et non des quarks et gluons isolés -- n'est pas totalement comprise. De même, l'origine physique de la masse des hadrons reste mystérieuse, malgré le succès des calculs de QCD sur réseau pour prédire les masses hadroniques. Les questions du confinement et de la masse des hadrons font partie des problèmes impliquant une échelle d'énergie de l'ordre du GeV, ou \(\alpha_s\) est d'ordre 1, rendant la PQCD a priori inapplicable.

Tant que la dynamique du confinement des partons (quarks et gluons) dans les hadrons ne sera pas comprise, deux descriptions complémentaires des processus régis par l'interaction forte seront pertinentes:

• Dans le domaine d'énergie \(Q \gg 1\,{\rm GeV}\), une description partonique dans le cadre de la PQCD est possible.
• Dans le domaine \(Q \lesssim 1\,{\rm GeV}\), une description effective en termes de hadrons est légitime.

Dans ce cadre général, une thématique importante est l'étude du plasma de quarks et de gluons, qui s'insère dans le vaste programme expérimental de collisions d'ions lourds. Le but principal de ce programme est d'étudier le diagramme des phases de la matière nucléaire (et plus généralement de la matière hadronique) en parvenant à comprimer et à chauffer la matière qui constitue les ions lourds. Cette thématique a notamment connu un progrès majeur avec l'avènement des grands collisionneurs (RHIC au BNL et LHC au CERN) qui permettent d'atteindre, au cours des premiers instants de la collision, des densités d'énergie similaires à celles qui régnaient quelques instants après le Big Bang, de sorte que les quarks et les gluons qui sont d'ordinaire confinés au sein des protons et neutrons peuvent se propager quasi librement, formant ainsi un nouvel état de la matière baptisé plasma de quarks et de gluons (QGP). L'enjeu majeur est de prouver l'existence d'un tel état et de caractériser ses propriétés physiques.

Axes de recherche

Divers axes de recherche sont suivis, différenciés en fonction du domaine d'énergie considéré.

• • Physique hadronique --  A l'aide de théories effectives ou de modèles phénoménologiques, on étudie la production de hadrons ou les interactions entre hadrons impliquant des énergies caractéristiques \( Q \lesssim 1\,\rm{GeV}\) (énergies molles ou soft). Par exemple, la production de hadrons mous dans les collisions entre particules (sur cible fixe ou dans les collisionneurs), ainsi que les propriétés des hadrons dans un milieu nucléaire (noyau lourd, gaz de hadrons), sont des thèmes étudiés par notre groupe.

    • NJL

    • Soft hadronic matter

• • Phénoménologie des processus durs -- Dans le cadre de la PQCD, on cherche à confronter les calculs théoriques aux données expérimentales pour les processus durs (impliquant une échelle \( Q \gg 1\,\rm{GeV}\)). Ceci permet de tester plus avant la PQCD, notamment dans le cadre des théorèmes de factorisation. Diverses thématiques sont abordées:

    • Quarks lourds et quarkonia dans le QGP
    • Propagation des partons dans la matière nucléaire
    • Production de photons

• • Etude globale d'événements -- Nous étudions différents phénomènes à l'interface entre le langage hadronique et le langage partonique:
    
    • Formation, évolution et hadronisation du plasma de quarks et de gluons
    • Gerbes de rayons cosmiques

D'autre part, notons des implications dans d'autres axes de recherche:

• • Autres thématiques: théorie pure, valorisation et applications:
    • Théorie des champs
    • Sens électrique des poissons
    • Applications de QM

In the framework of perturbative quantum chromodynamics I study the effect of parton energy loss in cold nuclear matter on the nuclear attenuation of quarkonium production in proton-nucleus (p-A) collisions.

The first part of the study is devoted to the derivation of parton energy loss in various kinematical situations. In particular, special attention is paid to the case of an energetic parton crossing a nuclear target and being scattered to small angle. In this case the radiative energy loss is shown to be proportional to the parton energy, which may have crucial consequences on phenomenology. Indeed, at high energy and not too low xF, quarkonium production in p-A collisions can be described, at the partonic level, as the propagation of a color octet heavy quark-antiquark pair through the target, losing energy as a gluon.

In a second part, I develop a phenomenological model to study the effect of such energy loss on J/psi nuclear suppression. The main assumption of the model is to express the xF-differential J/psi cross section in p-A collisions simply as that in p-p, with a shift in xF accounting for the energy loss through the nucleus. The model is then generalized to implement the Cronin effect, by taking into account the shift in pT due to transverse momentum broadening in the nucleus. The comparison between the model and the experimental data for J/psi nuclear suppression at various collision energies and for various nuclei appears to be very satisfactory.

Une thématique importante de notre groupe est la phénoménologie de l'interaction forte (décrite par la Chromodynamique Quantique, QCD), notamment l´étude des processus durs dans les collisions hadroniques élémentaires, mais aussi l´étude globale d'événements dans les collisions d'ions lourds. Une activité essentielle est la recherche et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons, qui est aussi le projet phare du groupe expérimental Plasma de Subatech.

Subatech étant un laboratoire à dominante expérimentale, une place importante au dialogue expérience-théorie est faite, que ce soit via l'exploration de phénomènes observés en partenariat avec différentes collaborations expérimentales, le développement de codes de simulation (tels BQMD, IQMD, EPOS et CONEX, utilisés par de nombreux groupes pour analyser et interpréter leurs données), mais aussi à travers les propositions d'analyses à envisager.

En parallèle, nous participons au développement de nouveaux savoirs théoriques – souvent dans le cadre d'approches phénoménologiques – comme par exemple sur l'équation de Fokker-Planck relativiste ou l'effet Landau-Pomeranchuk-Migdal en QCD. Notre groupe aborde aussi certaines questions purement théoriques (par ex., théories à dérivées d'ordre élevé) ou de valorisation (par ex., sens électrique des poissons).

Plus

"Tutorial on Wavelets", F. Sébille. Workshop Fluctuations and Temporal Evolution in Heavy-Ion Collisions, Saclay, Mai 9-10, 2012.

« The Dynamical Wavelt on Nuclei Model », V. de la Mota, Workshop Fluctuations and Temporal Evolution in Heavy-Ion Collisions, Saclay, Mai 9-10, 2012.

« Fusion Excitation Function Revisited », Ph. Eudes, Z. Basrak, F. Sébille, V. de la Mota, G. Royer and M. Zoric. 11th International Conference on Nuleus-Nucleus Collisions, San Antonio, Texas (USA) du 28 mai au 1 juin 2012.

« A Dynamical Description of Neutron Stars Crusts », V. de la Mota, F. Sébille and Ph. Eudes. 11th International Conference on Nuleus-Nucleus Collisions, San Antonio, Texas (USA) du 28 mai au 1 juin 2012.

"Rotating quasi-molecular states formed in capture of light nuclei and in collision of very heavy ions ", G. Royerr, E. Zarrouk, J. Gaudillot, C. Beck, W. von Oertzen. 13th International Conference on nuclear reaction mechanisms ; Varenna (Italie) 11-15 juin 2012.

"Generalized liquid drop model and fission, fusion, alpha and cluster decays and superheavy nuclei ", G. Royer. 4th International Conference : Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy ; Kiev (Ukraine) 3-7 septembre 2012.

« A Dynamical Description of Exotic Structures at Subnuclear Densities », V. de la Mota, F. Sébille, Ph. Eudes and M. Novak. 10th International Conference on
Clustering Aspects of Nuclear Structure and Dynamics, Debrecen (Hongrie) du 24 au 28 Septembre 2012 .