Etude du régime de haute densité partonique de QCD dans les collisions hadroniques au LHC – DenseQCDatLHC

L'un des objectifs principaux des expériences en cours au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN est l'étude de nouvelles formes de matière hadronique, notamment le plasma quark-gluon et le condensat de verre coloré (CGC). Ces états sont caractérisés par des densités de gluons élevées et sont le siège d'importants phénomènes non linéaires. Ces formes de matière apparaissent également dans d'autres expériences, comme celles prévues au futur collisionneur électron-ion (actuellement en étude au CERN et aux Etats Unis), ainsi qu'au cours de l'évolution de l'Univers primordial.

Une bonne maîtrise de la théorie microscopique des interactions fortes, la chromodynamique quantique (QCD), dans le régime de haute énergie est essentielle afin de comprendre le mécanisme de production de cette matière et ses propriétés. À haute densité, le couplage de la QCD est relativement faible, mais il est compensé par les grands nombres d’occupation des gluons. Les effets non-linéaires sont d'ordre un et la théorie des perturbations doit être réorganisée afin de resommer ces effets à tous les ordres. En QCD perturbative, le formalisme le plus élaboré pour effectuer ces resommations est la théorie effective du CGC, qui a été introduite, en particulier, par des membres de cette équipe et qui continue d’évoluer.

En dépit de progrès conceptuels importants, le CGC n'a pas encore atteint un niveau de développement satisfaisant du point de vue de la phénoménologie. La précision du développement perturbatif est encore trop grossière pour permettre des comparaisons réalistes avec les données expérimentales, et les schémas de factorisation ne sont ni suffisamment développés ni assez précis pour rendre compte des états finals plus exclusifs observés dans les expériences. Jusqu’à présent, toutes les applications phénoménologiques ont incorporé des éléments de modélisation et des paramètres ad-hoc dans des domaines qui devraient en principe être atteignables par des calculs à partir des principes premiers, en QCD perturbative.

Dans ce projet, notre objectif principal est de développer la théorie effective du CGC pour atteindre un degré de précision permettant des prédictions réalistes et des comparaisons directes avec les données expérimentales, sans modélisation inutile. Ceci requiert des calculs perturbatifs à des ordres supérieurs, des théorèmes de factorisation plus puissants, ainsi que des méthodes théoriques analytiques et numériques innovantes. En particulier, nous prévoyons d'améliorer la précision de la théorie effective du CGC non seulement en incluant des corrections perturbatives sous-dominantes, mais aussi en effectuant des resommations à tous les ordres de certaines classes de corrections, comme celles amplifiées par des logarithmes `colinéaires'. Bien que formellement d'ordre supérieur, ces corrections sont larges dans la pratique et conduisent à des pathologies (comme des sections efficaces negatives) dans les calculs à des ordres fixés. Notre équipe a obtenu des résultats préliminaires importants sur ces resommations au cours de derniers mois.

Parmi les problèmes fondamentaux que nous nous proposons d'étudier, on peut citer le calcul de la section efficace de production d'un nombre donné de particules dans les collisions de hadrons au-delà de l'ordre dominant, la formation et la thermalisation du plasma quark-gluon dans les collisions de noyaux ultrarelativiste, et la compréhension du rôle des fluctuations des nombres de partons dans ces collisions. Les membres de l'équipe ont apporté des contributions novatrices sur plusieurs de ces sujets. Nous prévoyons également de calculer des observables moins inclusives comme les asymétries de spin dans les collisions à haute énergie de faisceaux polarisés, et de clarifier l'origine de corrélations inattendues, telle que le `ridge', observées dans la production de particules dans les collisions proton-proton et proton-noyau at LHC.