Recherche de matiere etrange exotique dans les experiences STAR et ALICE aupres des collisionneurs

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Recherche de matiere etrange (exotique) dans les experiences STAR et ALICE aupres des collisionneurs d'ions lourds ultra-relativistes RHIC et LHC. THESE Presentee et soutenue publiquement le 9 fevrier 2006 pour l'obtention du Doctorat de l'Universite Louis Pasteur de Strasbourg (Specialite Physique Subatomique) par Renaud VERNET Composition du jury Directeur de these Jean-Pierre Coffin Rapporteur interne Janos Polonyi Rapporteurs externes Jurgen Schaffner-Bielich Gennady Zinovjev Examinateurs Hans Georg Ritter Christian Kuhn Institut de Recherches Subatomiques Unite Mixte de Recherche cnrs-in2p3 et Universite Louis Pasteur

  • recherche de dibaryons dans les accelerateurs d'ions lourds

  • unite mixte de recherche cnrs-in2p3

  • transition de phases de la matiere nucleaire

  • merci

  • attention particuliere aux doctorants du groupe

  • groupe star


Publié le : mercredi 1 février 2006
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Recherche de matiere etrange (exotique) dans les
experiences STAR et ALICE aupres des collisionneurs
d’ions lourds ultra-relativistes RHIC et LHC.
THESE
Presentee et soutenue publiquement le 9 fevrier 2006
pour l’obtention du
Doctorat de l’Universite Louis Pasteur de Strasbourg
(Specialite Physique Subatomique)
par
Renaud VERNET
Composition du jury
Directeur de these Jean-Pierre Co n
Rapporteur interne Janos Polonyi
Rapporteurs externes Jurgen Scha ner-Bielic h
Gennady Zinovjev
Examinateurs Hans Georg Ritter
Christian Kuhn
Institut de Recherches Subatomiques
Unite Mixte de Recherche cnrs-in p et Universite Louis Pasteur2 3Remerciements
Je tiens a exprimer ma plus sincere gratitude envers mon directeur de these, Jean-Pierre Co n,
qui m’a accepte au sein du groupe STAR-ALICE de l’IReS, et sans qui je ne serais pas a ecrire ces
lignes aujourd’hui.
Mais cette these ne serait qu’un pietre document sans l’encadrement de Christian Kuhn, avec
qui j’ai eu la chance de pouvoir m’initier, me former et m’adonner aux plaisirs de la physique des
ions lourds pendant ces quelques annees. Il m’a ete d’un soutien scienti que et humain que je n’osais
esperer, et qui feront que cette these restera pour moi, sinon une experience unique, un souvenir
inoubliable. Merci M’sieur Kuhn!
Je tiens a remercier egalement deux personnes du groupe avec qui j’ai eu le plaisir de travailler
(notamment) et qui m’ont ete de tres bon conseil au long de ma these : merci, Boris et Jeje !
J’aimerais aussi remercier mes correcteurs de these qui ont du^ transpirer en decembre 2005, et
qui m’ont tres bien conseille pour la soutenance : merci Jean-Pierre, Christian, Boris, Magali E.
(une aubaine pour mes corrections !) et Jeje, sans oublier Kiri pour la conclusion en anglais.
J’ai eu la chance de travailler au sein d’un groupe tres sympathique, dont, outre les per-
sonnes susnommees, font partie David, Frederic, Marc, Franck, Magali G., Valeria, Marie-Therese
et Jean-Robert, sans oublier les collegues du couloir, Fouad, Christian B., Florent, Sandrine et
Marie-Delphine. Merci a vous. Une attention particuliere aux doctorants du groupe, Je , Stephane,
Alexandre et Helene, envers qui je presente mes excuses pour avoir eu un bureau personnel alors
que vous en partagiez un a quatre... Je compatis.
Un grand merci aussi a Julien, l’expatrie transalpin, avec qui j’ai eu le plaisir de partager pas
mal de temps et de decouvrir notamment les secrets caches du C++ et de root4star. En souvenir
de la grammaire, des kanjis et de la biere belge...
Un grand merci aux anciens du DEA 2001 : Benjamin, Angel, Hugo, Damien, Anne-Catherine,
Noel, ainsi qu’aux (post-)doctorants de l’IReS : Auguste, Jer^ ome, Eric, Arnaud et autres amis
strasbourgeois, avec qui ces 5 annees passees a Strasbourg furent memorables en termes de parties
de tarot, de poker, de degustations onologiques, de barbecues... et de franche rigolade.
Je dois en grande partie toute cette satisfaction et cette -j’ose l’appeler- reussite a ma famille,
et plus particulierement ma mere, mon pere, mon petit frangin, mes deux mamies et mes tantes,
ainsi qu’ a ma belle-famille du Japon :
Et surtout a qui m’a soutenu et supporte dans des moments pas toujours faciles, et
qui a passe la veille de la soutenance a faire d’excellents g^ateaux, tout cela en gardant (presque)
toujours le sourire. Un grand merci a toi !
iTable des matieres
Remerciements i
Introduction 1
1 Le Plasma de Quarks et de Gluons 3
1.1 Generalites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Decon nemen t et transition de phases de la matiere nucleaire . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Symetrie chirale et condensat de quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Collisions d’ions lourds ultra-relativistes et production d’etrangete 9
2.1 Historique des accelerateurs d’ions lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Le rhic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Le lhc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Evolution du pqg - scenario de Bjorken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Analyse chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Modeles statistiques a l’equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Augmentation de l’etrangete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Modeles statistiques hors equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.4 L’etrangete au lhc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Dynamique d’expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Approche hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Flow radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3 Flow elliptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Phenomene de suppression a hauts p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28T
2.6 Mecanismes de recombinaison et fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7 Bilan et perspectives pour le lhc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Matiere etrange exotique 33
3.1 Premieres idees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Stabilite de la matiere nucleaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Modele du sac de quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Regions de stabilite et d’instabilite des strangelets . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 Une contrepartie hadronique : le memo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Les dibaryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
03.3.1 Le H -dibaryon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Etats lies hadroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Recherche de dibaryons dans les accelerateurs d’ions lourds . . . . . . . . . . . . . . 38
iiiiv TABLE DES MATIERES
04 Reconstruction de H -dibaryons dans l’experience STAR 41
4.1 Le detecteur star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.1 La Chambre a Projection Temporelle (tpc) de star . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.2 Le ssd et le svt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.3 Les zdc, le ctb et les mwpc : declenchement et classes de centralite . . . . . 44
4.2 Recherche des traces et reconstruction de particules etranges . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 Reconstruction des points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.2 des traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.3 du vertex primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.4 Reconstruction des particules etranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Enregistrement des donnees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
04.4 Simulation de H ! p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.1 Etude d’evenements simules gr^ ace a mevsim . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.2 Etude d’evts obtenus par embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Coupures en perte d’energie lineique dans la tpc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
p04.6 Reconstruction de H ! p dans les donnees Au-Au a s = 200 GeV . . . . . 61NN
4.6.1 Quelle interpretation probabiliste donner a ce pic? . . . . . . . . . . . . . . . 65
p04.7 de H ! p dans les donnees Au-Au a s = 62:4 GeV . . . . 68NN
04.8 Reconstruction de la resonance dibaryonique H ! p . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.9 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Identi cation d’hyperons et dibaryons dans l’experience ALICE 73
5.1 Le detecteur ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Generalites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2 La partie centrale d’alice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3 La partie avant d’alice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.4 Le systeme de declenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Recherche de traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Enregistrement des donnees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Identi cation des particules etranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.1 Simulation d’evenements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.2 De nition des grandeurs acceptance, e cacit e et taux de reconstruction . . . 79
05.4.3 Identi cation de vertex secondaires de type V . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.4 Iden de cascades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Identi cation de dibaryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
05.5.1 Le dibaryon H dans son mode de desintegration p . . . . . . . . . . . . 99
05.5.2 Leon ( p) dans son mode de desintegration p . . . . . . . . . . . . 102b
05.5.3 Le mode resonant H ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.6 Etat actuel du code de reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.7 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Conclusions et discussions 109
Annexes 111TABLE DES MATIERES v
A Complements 111
A.1 Production de particules suivant une loi exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.2 Coupures de type Armenteros-Podolanski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.3 Methode d’estimation du bruit de fond par rotating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.4 Signi cance d’un pic en fonction du nombre d’evenements . . . . . . . . . . . . . . . 115
0A.5 E et des coupures de selction dans la recherche des H . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Table des gures
1.1 Potentiel V en fonction ed la distance inter-quarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3qq
1.2 Diagramme des phases de la matiere nucleaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Densite d’energie et pression par calculs sur reseau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Condensat de quarksqq en fonction de la temperature et de la densite . . . . . . . . 7
2.1 Situation des accelerateurs dans les diagramme des phases. . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Le bnl et le complexe de l’accelerateur rhic et ses quatre experiences. . . . . . . . . 11
2.3 Vue schematique du lhc et des chemins empruntes par les noyaux. . . . . . . . . . . 12
2.4 Evolution d’un pqg selon le scenario de Bjorken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Scenario d’une collision d’ions lourds ultra-relativistes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Rapports de particules mesures par star dans Au-Au a 200 GeV . . . . . . . . . . . 15
2.7 Processus de creation des paires ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.8 Augmentation de l’etrangete en fonction de N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18part
2.9 de l’e dans un modele statistique. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.10 Comparaison de entre des modeles statistiques et les donnees experimentales. . . 19s
2.11 K= en fonction de la temperature de hadronisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.12 Pression en fonction de la desnite d’energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.13 T , et <p > mesures dans star pour les particules , K, p, et ( ). . . . . 24fo s T
2.14 Zone de recouvrement des noyaux incidents dans une collision semi-centrale. . . . . . 25
2.15 Evolution temporelle de la geometrie de la source. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.16 Flow elliptique des particules , K, p, , et
mesures dans star. . . . . . . . . . 26
2.17 R en fonction dup pour mesons et baryonses dans star. . . . . . . . . . 29CP T
02.18 R des hadrons charges et en fonction dup mesure par brahms. . . . . . . . . 30AB T
2.19 Correlation azimutales dans les zones in-plane et out-of-plane. . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Diagramme des phases de la matiere nucleaire muni du degre de liberte d’etrangete . 34
3.2 Energie par baryon en fonction de la fraction d’etrangete. . . . . . . . . . . . . . . . 35
03.3 Seuils et modes de desintegration possibles du H en fonction de sa masse. . . . . . . 37
3.4 Modes de desintegration et rapports d’embranchement prevus pour le ( ) . . . . . 38b
03.5 Modes de desint et rapports d’embranct prevus pour le ( p) . . . . 39b
+ 0 0 03.6 dN/dy des dibaryons p, ( p) , , et , collisions Au-Au a 200 GeV . . 39b
4.1 Le detecteur star. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Vue tridimensionnelle de la tpc de star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Signal des zdc en fonction du signal du ctb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Distribution des evenements selon leur multiplicite de traces primaires. . . . . . . . . 45
4.5 Charges deposees par les particules chargees dans la tpc. . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii

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