3.2 Le RHIC → Relativistic Heavy Ion Collider
3.2.3 Le programme expérimental du RHIC
Le RHIC est constitué de deux anneaux concentriques indépendants de 3.8 km de cir- conférence. Chacun est constitué de 396 éléments dipolaires magnétiques supraconduc- teurs de 9.7 m de long. Cet ensemble magnétique fournit un champ pouvant atteindre au maximum 3.458 T. À cela s’ajoute un certain nombre d’aimants plus petits portant à 1740 le nombre d’aimants supraconducteurs dans le RHIC. Ces derniers devant être portés à une température de 4.6 K pour leur bon fonctionnement, un système de refroidissement fermé à base d’azote et d’hélium est utilisé. Ce système est très coûteux car azote et hé- lium doivent être recyclés et réfrigérés et cela consomme beaucoup d’énergie électrique (21 MW). Les anneaux du RHIC ont la capacité d’accélérer les protons à une énergie maximale de 500 GeV/u et les deutérons et noyaux d’or à une énergie maximale de 100 GeV/u.
Le faisceau du RHIC n’est pas continu. Les ions sont distribués en plusieurs paquets distincts et entre chacun d’eux règne un vide de l’ordre de 10−11 Torr [RHICProj 94]. Moins
il y en a par faisceau et plus il est facile d’accélérer le faisceau et de le garder stable. Dans chaque anneau, RHIC peut accélérer jusqu’à 360 paquets d’ions même si, en général, trois à six fois moins de paquets sont accélérés à chaque prise de données. Les paquets localisés rendent la sélection des événements dans les détecteurs plus facile (aide au déclenche- ment).
Nous qualifierons, par la suite “d’événement”, chaque collision qui a lieu entre deux paquets d’ions circulant dans le RHIC en sens contraires. Le taux d’événements maximum pour des collisions proton+proton est de l’ordre de 1 toutes les 213 ns. Pour les collisions Au+Au, le taux maximum s’élève à 1 chaque 100ns environ. L’établissement du faisceau à sa puissance nominale se fait en plusieurs étapes. Les ions sont injectés depuis la ligne AtR (AGS to RHIC) sous la forme de paquets. Des aimants sélectionnent un sens de rotation au paquet. La phase d’accélération des paquets en sens contraire dure environ une demi- heure jusqu’à ce qu’on fasse se collisionner les paquets en six points du RHIC au moyen de dipôles magnétiques et quadripôles magnétiques. Quatre de ces points sont ouverts aux quatre expériences principales du RHIC que nous présentons dans la partie suivante. Plus récemment, un cinquième site a été ouvert pour l’étude du spin du nucléon (RIKEN-BNL spin collaboration).
Les énergies atteintes permettent de faire des connexions directes avec les calculs per- turbatifs de QCD permettant par exemple d’estimer la contribution des gluons (et des quarks de la mer) au spin total du nucléon. Cette expérience utilise les faisceaux de protons polarisés que peut délivrer également le RHIC.
3.2.3.2 La complémentarité de quatre sites expérimentaux
Quatre expériences exploitent et étudient les collisions d’ions lourds au RHIC. Ces ex- périences ont été conçues de façon à être complémentaires pour la recherche du PQG. Elles sont capables de mesurer des densités de particules de faible ou moyenne impulsion (en comparaison à ce qui sera mesuré au LHC) avec une grande précision sur la mesure de leurs propriétés dans un angle solide déterminé. En 1993-1994, après trois ans de re- cherche et de développement [Ludl 94], deux projets pour l’élaboration de détecteurs de conception différente mais complémentaires ont été acceptés. Le projet STAR7, un détec-
teur solénoïdal basé essentiellement sur l’identification et la reconstruction de traces dans une grande chambre à projection temporelle, était davantage axé sur la mesure de hadrons dans un très large angle solide (mesure indirecte du plasma) tandis que PHENIX8était da-
vantage conçu pour la détection de sondes plus directes comme la mesure de leptons et de photons (et aussi de hadrons), mais dans un angle solide plus limité. Par la suite, deux détecteurs un peu plus spécialisés, PHOBOS9 et BRAHMS10, ont été approuvés dans le
programme expérimental du RHIC pour compléter les mesures à plus grande rapidité. Le résultat d’un événement dans ces quatre expériences est présenté sur des figures 3.10 à
7Solenoidal Tracker At RHIC
8Pioneering High Energy Nuclear Experiment
9L’expérience originelle MARS (Modular Array for RHIC Spectroscopy) n’a pas été approuvée. Un dispositif
similaire portant le nom d’un satellite de Mars a été retenu plus tard.
3.13, ainsi qu’un bref commentaire sur les caractéristiques générales des détecteurs. Le saut en énergie accompli depuis les accélérateurs AGS et SPS a permis d’élargir les domaines d’étude pour ces quatre expériences :
• Les faibles valeurs du potentiel chimique baryonique atteintes dans la région de ra- pidité centrale permettent de se rapprocher des conditions de l’univers primordial. • Le domaine de rapidité accessible dans le centre de masse s’étend sur |y| = ± 5.5. • Les très fortes multiplicités de pions, de kaons et de protons obtenues par événement
vont permettre de réaliser des analyses événement par événement dans de bonnes conditions statistiques.
3.2.3.3 Prises de données
L’année 2004 marque la fin de la quatrième période de prises de données au RHIC. Les premières prises de données ont débuté en 2000 avec des collisions Au+Au à une énergie non encore nominale de √sNN = 130 GeV. En 2001/2002, le RHIC est passé à son énergie
nominale de √sNN = 200 GeV. Les collisions Au+Au alors réalisées ont été analysées dans
ce travail de thèse (environ 3 millions d’événements ont été étudiés). Des collisions p+p ont également été produites. Elles sont déterminantes car sans ces systèmes de référence où a priori les conditions expérimentales de création de plasma ne sont pas remplies, il est im- possible de conclure quant à la formation ou non du plasma dans les collisions de noyaux plus lourds. Comparer Au+Au à p+p ne fait pas tout. Dans de gros systèmes comme la collision de deux noyaux d’or, on ne peut pas négliger la présence de processus nucléaires présentés au chapitre 2. Ces derniers entraînent l’apparition en Au+Au de phénomènes physiques non observés en p+p et qui pourtant ne sont pas attribuables à la formation d’un PQG en laboratoire. Il s’agit de pouvoir estimer ces effets. Les collisions asymétriques sont utilisées à cet usage. Les expériences de contrôle en d+Au sont nécessaires pour carac- tériser jusqu’à quel point les phénomènes physiques non linéaires de l’état initial peuvent être différenciés d’effets dus aux interactions dans l’état final responsables de la forma- tion du PQG. Une présentation de ces effets de l’état initial a été proposée au chapitre 2. 2002/2003 a permis de réaliser de telles collisions ainsi qu’une prise de données en p+p po- larisés à √sNN = 200 GeV. Les données d+Au (∼10 millions d’événements) ont également
été étudiées dans cette thèse. Enfin en 2003/2004, une nouvelle campagne Au+Au à √sNN
= 200 GeV et à très haute luminosité a eu lieu. Elle a permis d’augmenter la statistique d’un facteur 10. En cours d’année 2004, quelques 10 millions d’événements ont été enregis- trés à une énergie moindre de √sNN = 62.4 GeV. L’objectif étant, cette fois, de comparer les
résultats du RHIC aux résultats antérieurs du SPS. Une analyse de ces données à √sNN =
62.4 GeV est également proposée dans ce mémoire.
Comment seront partitionnées les prochaines années ?
- L’année 2004/2005 sera dédiée à l’étude d’un système de taille intermédiaire Cu+Cu. Comme nous allons en discuter dans cette thèse, il est primordial d’étudier l’influence du volume de la réaction sur les produits de cette dernière. Une question qui peut se poser par exemple est de savoir si une collision de ce type est équivalente à une collision semi- périphérique en Au+Au ou si la physique qui entre en jeu dans de telles collisions est radicalement différente.
Figure 3.10 – Détecteur BRAHMS conçu pour l’identification et la mesure de particules sur un large domaine de rapidité (0 < y < 4) et pour un do- maine d’impulsion transverse 0.2 < pT < 3.0GeV/c
à partir de deux spectromètres à faible angle so- lide. La mesure à très haute rapidité est privilégiée [Adam 03, Bear 02].
Figure 3.11 – Résultat d’un événement Au+Au dans PHENIX. Deux spectromètres à muons couvrent une région en pseudorapidité de 1.1 < |η| < 2.4 et un angle azimutal 0 < Φ < 2 π. Un spectromètre central avec deux bras et des
sous-systèmes de tracking (détecteur à anneau
cerenkov (RICH), chambre à projection temporelle (TPC) et détecteur de temps de vol (TOF)) couvrent |η| < 0.35. Avec ces détecteurs rapides et la faible acceptance couverte, l’accent est mis sur la détection de preuves rares, sur l’identification de hadrons et d’électrons [Morr 98].
Figure 3.12 – Résultat d’un événement Au+Au dans PHOBOS. Les mesures de particules chargées y sont possibles au travers d’un angle solide complet avec un détecteur mesurant la multiplicité des événe- ments. Deux spectromètres de faible acceptance per- mettent l’identification de particules à mi-rapidité. L’accent est mis sur les mesures de multiplicité sur un large domaine en η et en pT [Back 00].
Figure 3.13 – Résultat d’un événement Au+Au dans STAR. Détecteur solénoïdal de large acceptance permettant l’identification et la reconstruction de traces sur un angle azimutal total (|φ| < π), |η| < 2.0 et 2.5 < |η| < 4.0. Les sous-systèmes incluent une chambre à projection temporelle (TPC), détec-
teur principal, deux Forward TPC (TPC à l’avant),
des détecteurs de vertex au silicium, des calorimètres électromagnétiques et systèmes de déclenchement. L’accent est mis sur la mesure des caractéristiques globales de l’événement, sur la mesure de sondes ha- droniques, sur l’identification de résonances et sur la mesure de fluctuations.
- Des collisions p+p à √sNN = 200 GeV sont prévues à nouveau entre 2004 et 2006.
- Entre 2005/2006, une nouvelle prise de données à √sNN = 62.4 GeV devrait avoir lieu
pour augmenter nettement la statistique.
- Des collisions Au+Au à √sNN = 200 GeV sont prévues pour 2006/2007.
- Enfin, 2007/2008 sera dédiée aux collisions p+p à √sN N = 500GeV, énergie maximale
accessible à RHIC pour les collisions p+p.