Tomographie des quarks et gluons dans les noyaux à haute énergie – TMD-SAT

Si la Chromodynamique Quantique (CDQ), théorie quantique de l'interaction forte, connaît actuellement un succès certain de part sa capacité à prédire les résultats des expériences de collisions de hadrons ultra-relativistes, certaines questions fondamentales demeurent. Ce projet vise à répondre en partie à deux d'entre elles: d'une part, comment les constituants élémentaires des hadrons, les quarks et les gluons, s'organisent au sein d'un hadron de haute énergie, de façon à former un état lié avec une masse et un spin bien déterminé ? D'autre part, à haute énergie, la prolifération du nombre de gluons dans la fonction d'onde des hadrons, par rayonnement Bremsstrahlung, doit être compensée par un mécanisme garantissant l'unitarité de la CDD, en particulier le respect de la limite de Froissart pour les sections efficaces hadroniques à haute énergie. Le paradigme actuel est qu'à très haute énergie, la fonction d'onde des hadrons forme un condensat saturé en gluons, au sein duquel les gluons ont une impulsion transverse typique donnée par une échelle caractéristique, l'échelle de saturation Qs. La recombinaison des gluons entre eux au sein de ce condensat permet alors de limiter leur prolifération quand l'énergie de collision augmente.

En réalisant une tomographie tri-dimensionelle précise des hadrons ultra-relativistes (en particulier du proton et des noyaux lourds), c'est à dire en mesurant les distributions de quarks et gluons dans ces états liés en fonction de la fraction d'énergie x, et de l'impulsion transverse qu'ils transportent, il doit être possible de valider expérimentalement ce paradigme. Cela requiert le calcul précis de ces distributions, et des sections efficaces dans lesquelles elles sont impliquées, dans le régime de haute énergie et pour des impulsions transverses de l'ordre de Qs, puis la comparaison systématique entre ces calculs théoriques et les données expérimentales pour certains processus hadroniques clés mesurés au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) ou au futur collisionneur Electron-Ions (EIC). En particulier, nous nous intéresserons aux corrélations azimuthales de deux particules dures produites en collisions proton-noyau vers l'avant ou en collisions ultra-périphériques au LHC, ainsi qu'à la production semi-inclusive ou diffractive de hadrons en diffusion électron-noyau profondément inélastiques à l'EIC. Ces observables fournissent une mesure directe des distributions de partons dépendant de l'impulsion transverse, et sont donc fortement sensibles aux effets de la saturation des gluons à petit x. Ce projet développera à la fois les outils analytiques et numériques pour réaliser une comparaison entre la théorie et les mesures expérimentales de ces observables.

Les calculs à une boucle des sections efficaces de ces processus seront conduits durant la première phase du projet, en cherchant à écrire les formules obtenues sous une forme satisfaisant explicitement un schéma de factorisation en termes de distributions partoniques dépendant de l'impulsion transverse. Dans un second temps, ces formules seront implémentées dans le code numérique TMD@Sat, qui inclura également un module résolvant les équations d'évolution de ces distributions, en particulier l'évolution non-linéaire donnant leur dépendance en x. En fin de compte, les prédictions théoriques fournies par le code TMD@Sat et la comparaison aux données expérimentales permettra de contraindre les propriétés physiques du condensat de gluons, comme l'échelle de saturation Qs, et de valider notre modèle théorique issu de la CDQ décrivant cet état universel de la matière hadronique à haute énergie.