Approche de système quantique ouvert pour le rayonnement de gluons induit par un milieu dans un milieu QCD dense

Contexte : En 2022, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a démarré sa troisième phase d’exploitation, à un centre d’énergie de masse de 13,6 TeV. Outre les études emblématiques du boson de Higgs et la recherche d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, un autre objectif de ce programme expérimental est l’étude du plasma quark-gluon (QGP), une nouvelle phase de la matière nucléaire qui existe à haute température ou densité, et dans laquelle les quarks et les gluons sont déconfinés (alors qu’ils sont confinés à l’intérieur des hadrons dans des conditions ordinaires). Cet état de la matière n’a existé dans l’Univers primitif que pendant quelques microsecondes et est maintenant recréé en laboratoire lors de collisions noyau-noyau à haute énergie. Cependant, ce plasma n’a qu’une durée de vie très courte (environ 10 à 23 s), avant de se refroidir et de se transformer en une myriade de hadrons, finalement mesurés par les détecteurs. En pratique, il est assez difficile d’extraire les propriétés de la phase plasma éphémère à partir de la distribution mesurée des particules dans l’état final.

Pour sonder les propriétés du plasma quarks-gluons, une classe d’observables très utile fait référence à la propagation de jets énergétiques. Un jet est un jet collimaté de particules générées via des ramifications successives de partons, commençant par un quark ou un gluon virtuel produit par la collision. Lorsqu’un tel jet est produit dans l’environnement dense d’une collision noyau-noyau, ses interactions avec le milieu environnant conduisent à une modification de ses propriétés, phénomène connu sous le nom de jet quenching. Comme la QCD est asymptotiquement libre, la grande énergie de ces objets permet de s’appuyer sur les premiers principes des techniques de QCD perturbatrices pour calculer leurs propriétés physiques, qui sont bien comprises dans les collisions $pp$ et peuvent ainsi servir à comparer leurs modifications dans les collisions noyau-noyau. . Cependant, malgré de nombreux efforts théoriques ces dernières années, les extractions quantitatives des propriétés physiques du QGP à partir des observables de trempe des jets font toujours défaut, contrairement à l’extraction des coefficients de transport du QGP à partir d’observables en vrac correspondant aux calculs hydrodynamiques. Ceci est principalement dû aux grandes incertitudes théoriques dans la simulation de la désintégration d’une particule hautement virtuelle dans un milieu dense. Une particule hautement virtuelle produite dans le vide émet principalement du gluon mou et colinéaire (processus de Bremsstrahlung), mais ce phénomène est affecté par ses interactions avec les constituants du plasma et par l’émission de gluons induits par le milieu. Comme ce processus est la pierre angulaire de toute l’évolution des jets, la réduction des incertitudes théoriques sur les observables des jets nécessite une compréhension précise des effets concurrents entre le Bremsstrahlung et les rayonnements induits par le milieu…

Objectif & Méthodologie : Afin d’aborder la question de la réduction des incertitudes théoriques affectant les jets observables, l’objectif général de cette thèse est de formuler le problème du rayonnement d’une particule virtuelle dans un milieu QCD dense dans une approche de système quantique ouvert.} Une telle formulation s’est avérée très efficace pour la propagation de quarks lourds dans le plasma quark-gluon, mais n’a jamais été envisagée jusqu’à présent pour un parton virtuel alimentant un jet. La méthodologie proposée est

• Établir l’équation d’évolution quantique (ou équation maîtresse) d’un quark ou d’un gluon hautement virtuel couplé à un grand système représentant le QGP dense. Cela nécessite d’abord de reformuler le problème bien connu du spectre de rayonnement des partons sur coque dans un plasma quark-gluon en utilisant des techniques de systèmes quantiques ouverts. Des formulations similaires existent déjà pour l’évolution des quarks lourds ou l’élargissement du moment transversal des particules sur leur coque. Ensuite, l’un des principaux défis sera d’implémenter la virtualité du parton évolutif dans ce cadre.
• Résolvez numériquement l’équation maîtresse quantique. À moins d’utiliser des modèles simplifiés de l’interaction entre le parton hors coque et le milieu environnant, l’équation maîtresse quantique ne peut pas être résolue analytiquement. Un aspect important du projet de thèse sera d’écrire un code numérique pour résoudre cette équation et de la comparer avec des approximations analytiques connues. Des techniques de pointe pour la résolution de l’équation de Linblad associée seront utilisées.
• Clarifier quantitativement l’interaction entre le Bremsstrahlung et les rayonnements induits par le milieu. En particulier, le résultat attendu du calcul est la détermination de l’espace de phase pour les émissions de Bremsstrahlung dans un milieu QCD dense avec une précision améliorée par rapport aux estimations paramétriques utilisées jusqu’à présent dans les générateurs d’événements de Monte-Carlo. L’ensemble du framework développé par le doctorant peut ensuite être utilisé pour comparer les générateurs d’événements Monte-Carlo développés dans le groupe de théorie de Subatech et réduire leurs incertitudes théoriques.

Les candidatures doivent être déposées sur le site de l’école doctorale : https://theses.doctorat-bretagneloire.fr/3mg/campagne-2024

Offre de thèse : https://www.imt-atlantique.fr/sites/default/files/recherche/Offres%20de%20th%C3%A8ses/2024/2024_Open%20quantum%20system%20approach%20for%20medium-driven%20gluon .pdf