Département de Physique Nucléaire

Ce projet prote sur l'étude de la matière hadronique, en particulier la transition de phase du plasma de quarks et de gluons (QGP) en hadrons, cruciale pour comprendre la matière nucléaire et l'univers primitif. Dans les collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC), de minuscules gouttelettes de QGP sont créées, évoluant brièvement avant de transitionner en un gaz de hadrons. Malgré des recherches significatives, le confinement — le processus par lequel les quarks se lient pour former des hadrons — reste mal compris, et l'étude de l'hadronisation est essentielle pour sonder ce phénomène Parmi les sondes expérimentales, les saveurs lourdes (HF), telles que les mésons D° et les baryons ?+c, sondent cette transition de phase via leurs mécanismes d'hadronisation. En particulier, clarifier le rôle de la coalescence, où des quarks se combinent dans le milieu QCD, dans la production des HFs aiderait à comprendre la transition de phase du QGP. La sensibilité de la coalescence aux propriétés du milieu peut être explorée à travers le flux elliptique, avec des flux distincts attendus pour ?+c et D°. FLOALESCENCE cherche à mesurer l'écoulement elliptique de ?+c et D° dans des collisions Pb-Pb et proton-proton (pp). Un élément clé de ce projet est le développement d'une nouvelle méthode qui n'a jamais été utilisée auparavant dans les données Pb-Pb pour mesurer l'écoulement elliptique. Cette méthode exploite pleinement les capacités du détecteur assurant des résultats plus précis et une interprétation plus clair des mesures. Le projet comprend trois tâches principales : analyser les données existantes pp et les nouvelles données Pb-Pb qui seront enregistrées en novembre 2024; développer cette technique de mesure de flux avancée; et créer un nouvel indicateur pour la multiplicité de particules chargées dans les collisions pp. Ces mesures amélioreront la compréhension des mécanismes de coalescence et de la transition de phase QCD.

Les protons constituent une grande partie de l'Univers visible et pourtant notre compréhension de leur structure est étonnamment limitée. Bien que la chromodynamique quantique (CDQ) puisse potentiellement expliquer leur émergence en termes de quarks et de gluons, elle nous confronte à de formidables défis lorsqu'il s'agit d'extraire des informations quantitatives. Après des décennies d'études intenses, notre connaissance de la structure longitudinale 1D du proton, incarnée par les distributions colinéaires, a atteint une très grande précision. 3DLeaP vise à obtenir une image 3D du proton d'une précision comparable en termes de distributions de momentum et de position des quarks et des gluons. Les objectifs spécifiques de 3DLeaP sont : 1. l'extraction des distributions de momentum transversal (TMD) et des distributions de partons généralisées (GPD) qui encodent les distributions de momentum et de position des quarks et des gluons à l'intérieur du proton, respectivement ; 2. la détermination des distributions conjointes momentum-position telles qu'elles sont encodées dans les TMD généralisées (GTMD). Les TMD et les GPD seront déterminées séparément à l'aide de calculs théoriques de pointe et d'un vaste ensemble de données expérimentales. Les GTMD seront ensuite extraites en utilisant les résultats de l'étape précédente au moyen d'une procédure théoriquement solide. Les récentes avancées théoriques et expérimentales dans le domaine de la structure 3D des protons rendent 3DLeaP particulièrement opportun. Sa réalisation permettra d'obtenir une image détaillée du proton, avec des conséquences importantes allant de tests rigoureux de la CDQ - éclairant des sujets tels que la décomposition du spin du proton - à la recherche de nouveaux phénomènes dans les collisionneurs à haute énergie tels que le Grand collisionneur de hadrons et le futur collisionneur électron-ion.

La vaste gamme d'applications de la physique nucléaire, et en particulier celles utilisant des réactions nucléaires, peut être divisée en deux grands régimes. D'abord, il y a le régime de basse énergie (e.g., les centrales nucléaires). Pour ces applications, pratiquement toutes les données nucléaires peuvent être et ont été mesurées. Ensuite, il y a les applications à haute énergie comme l'hadronthérapie (jusqu'à ~250 MeV), les sources de neutrons de spallation et les ADS (~500 MeV à ~2 GeV), les noyaux cosmogéniques (large gamme d'énergie, avec un pic à ~1 GeV), mais aussi les études sur les neutrinos (des centaines de MeV à des dizaines de GeV) et les expériences sur l'antimatière (du repos à plusieurs GeV). En raison d'énergies élevées et des différents types de projectiles concernés, il est impossible de mesurer toutes les données requises et des modèles sont nécessaires. Ces modèles, combinaison d'un modèle de cascade intranucléaire, e.g., INCL++6, et d'un modèle de désexcitation, e.g., Abla, sont capables de prédire le résultat d'une réaction de spallation. Dans ces réactions, de nombreuses particules légères (mésons, neutrons, particules chargées) sont éjectées. Le résultat de l'interaction est la production d'un noyau cible plus léger (ou plus si fission ou multifragmentation se produisent). Ces modèles ont été considérablement améliorés au cours des deux dernières décennies et nous sommes entrés dans une période plus exigeante : la quantification des incertitudes et des erreurs. Nous proposons ici un projet dans lequel non seulement les incertitudes et les erreurs des simulations INCL++6/Abla seront quantifiées, mais nous améliorerons également les modèles grâce à une optimisation en parallèle de certains paramètres et au retour d'information de ces résultats. Les méthodes utilisées reposent sur la statistique bayésienne où les données expérimentales jouent le rôle de vraisemblance.

Les collisions entre deux ions lourds auprès des collisionneurs de particules nous permettent d’étudier les propriétés de la matière en interaction forte à haute densité d´énergie. Ces collisions créent des petits systèmes avec jusqu´à quelques milliers particules produites qui se comportent comme un fluide avec des propriétés remarquables. Les résultats expérimentaux suggèrent que le comportement hydrodynamique émerge à une échelle de temps courte, une caractéristique qui n´est pas bien comprise théoriquement. Afin d´obtenir des informations directes sur les étapes précoces de l´évolution de la matière qui précèdent la phase hydrodynamique, nous proposons de mesurer la production des dileptons (paires d´électron-positron/muon-antimuon) dans ces collisions dans la gamme de masse de 1-5 GeV/c². Ce sont en effet des processus de pré-équilibre qui pourraient nous renseigner sur le mécanisme conduisant à la thermalisation. Ces dileptons n´ont pas encore été observés parce qu´ils sont cachés sous un bruit de fond important provenant des désintégrations des hadrons de charme et beauté. De plus, à haute masse, les dileptons sont produits directement à partir des fonctions d´onde initiales des noyaux, le processus Drell-Yan. L´expérience LHCb a été construite en particulier pour la détection de ces particules de beauté et de charme dans des collisions de proton-proton (pp). Son upgrade, en cours d´installation, est conçu pour traiter un plus grand nombre de particules produites comme dans des collisions d´ions-lourds. C´est une opportunité unique de conduire la première mesure de dileptons avec une masse entre 1-5 GeV/c² dans les collisions d´ions-lourds. En me basant sur mon expérience et mon leadership concernant des mesures de muons et d´électrons dans deux collaborations LHC, je propose de construire une équipe qui mesurera le bruit de fond de Drell-Yan dans des collisions pp et étudiera la possibilité d´accéder au processus de thermalisation dans les ions-lourds.

L'un des objectifs majeurs de la physique hadronique est d'accéder à la tomographie 3D du nucléon en termes de quarks et de gluons. Cette dernière est encodée dans les distributions de partons généralisées (GPD) qui décrivent les processus exclusifs. Après vingt ans de mesures pionnières, la communauté est entrée dans l'ère de la précision avec de nouvelles données expérimentales aux statistiques excellentes. Mais ceci se révèle être un défi. En effet, les physiciens de l'Irfu ont montré qu'une partie de l'information est perdue lors de la déconvolution des GPD à partir de données de processus exclusifs. Ainsi, les techniques d'extraction conventionnelles ne parviendront pas à tirer parti des mesures précises à venir, faisant des incertitudes théoriques les plus pénalisantes dans la compréhension des propriétés des nucléons en 3D. En parallèle, les ensembles de données de simulation à grande échelle promettent une connexion aux GPD sans perte d'information mais sur un petit nombre de configurations cinématiques. Il est nécessaire d'augmenter ces valeurs en imputant les données manquantes pour obtenir un modèle continu répondant à toutes les contraintes théoriques. A travers le projet CompToN, les physiciens de l'Irfu et du CPT uniront leurs expertises pour extraire la tomographie 3D des quarks et des gluons d'une manière innovante : en combinant des jeux de données calculées, des jeux de données expérimentales et des techniques de modélisation de pointe. Ceci réduira fortement les incertitudes théoriques associées aux extractions expérimentales. Des efforts théoriques, phénoménologiques et de simulation sont nécessaires pour prendre le meilleur des deux mondes et résoudre à la fois le problème de déconvolution des données expérimentales et celui d'imputation des simulations à grande échelle. In fine, nous visons une tomographie précise du proton avec 10 ans d’avance sur les attentes de la communauté basées sur le futur collisionneur électron-ion américain.