Perte d’énergie de partons dans la matière QCD froide – COLDLOSS

Les quarks et les gluons (appelés « partons » de manière générique) traversant un milieu en interaction forte - plasma quarks-gluons mais aussi matière nucléaire froide et confinée - perdent une partie de leur énergie par rayonnement de gluons, conduisant au phénomène d'atténuation de jets observé dans les collisions d'ions lourds de haute énergie. Comprendre de manière quantitative la perte d'énergie partonique est donc une question centrale de ce domaine, abordée dans cette proposition. Plus précisément, l'objectif du projet est une étude systématique des processus de pertes d'énergie partoniques dans la matière nucléaire froide. Ce programme ambitieux sera réalisé au moyen d'études théoriques, phénoménologiques et expérimentales détaillées et complémentaires, avec des mesures effectuées dans les collisions hadron-noyau sur cibles fixes (COMPASS au super synchrotron à protons du CERN, SPS) et auprès de collisionneurs (CMS au grand collisionneur de hadrons, LHC). La synergie entre la théorie, la phénoménologie et l'expérience est au cœur de cette proposition.

Les effets des pertes d'énergie dans le régime entièrement cohérent seront étudiés sur divers processus de QCD, tels que la production vers l'avant de hadrons légers, de hadrons lourds (mésons D et B) et de paires de leptons de Drell-Yan, dans les collisions pi-A et p–A à différentes énergies dans le référentiel de centre-de-masse. Une autre tâche importante est le développement d'un cadre unifié permettant le traitement rigoureux de la perte d'énergie partonique dans les deux régimes dynamiques les plus pertinents, à savoir le régime Landau-Pomeranchuk-Migdal (partiellement cohérent) et le régime entièrement cohérent. En outre, les processus de pertes d'énergie radiatives et de saturation partonique - attendue dans les noyaux à petite valeur de x-Bjorken et un sujet important dans la phénoménologie des collisions nucléaires de haute énergie - seront également étudiés dans une approche unifiée basée sur les premiers principes. Découlant de ce travail théorique, la phénoménologie détaillée des processus durs dans les collisions hadron-noyau permettra d'interpréter les données actuelles et de fournir des prédictions fiables sur de futures mesures. Étroitement lié à la perte d'énergie radiative, l'élargissement de l'impulsion transverse des partons se propageant à travers la matière nucléaire froide sera également étudié, tant au niveau théorique que phénoménologique. Du côté expérimental, les mesures de la production de paires de leptons de Drell-Yan et de quarkonia seront effectuées dans des collisions pion-noyau à l'énergie du SPS par l'expérience COMPASS. Au LHC, la production de paires de Drell-Yan, de quarkonium et de mésons de quarks lourds sera mesurée par la collaboration CMS. Les mesures effectuées au SPS et au LHC, ainsi que les mesures passées au laboratoire Fermilab (FNAL) et à RHIC, permettront d'extraire le coefficient de transport de la matière nucléaire froide à différentes énergies et en utilisant différents processus. In fine, les résultats phénoménologiques et expérimentaux permettront de clarifier les contributions de la perte d'énergie radiative (dans les deux régimes LPM et entièrement cohérent) sur la production de processus durs dans les collisions nucléaires.

En plus de ces travaux de recherche, un aspect important de la proposition est celui de la formation des jeunes chercheurs. Ce projet permettra l'organisation de deux écoles internationales de haut niveau sur la QCD, en 2019 et 2021, rassemblant des étudiants en doctorat et de jeunes chercheurs avec des conférenciers d'importance mondiale. Ce projet débouchera également sur des activités de vulgarisation au travers de la publication de brochures sur la physique des particules et l'astrophysique destinées à un grand public, ainsi que sur l'organisation de conférences dans les collèges et lycées ou lors d'événements publics.