A matter of shape : seeing the deformation of atomic nuclei at high-energy colliders

Question de forme : observer la déformation des noyaux atomiques aux collisionneurs des hautes énergies

• Auteur / Autrice : Giuliano Giacalone
• Direction : Jean-Yves Ollitrault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique théorique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1982-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Duguet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Ollitrault, Gunther Roland M., Hannah Elfner, Derek Teaney, Ulrich Walter Heinz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gunther Roland M., Hannah Elfner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromodynamique quantique

Plasma quark-gluon

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Ions lourds

Plasma quark-Gluon

Flot elliptique

Déformation nucléaire

Heavy-ion physics,

Quark-Gluon plasma

Elliptic flow

Nuclear deformation

Résumé

Les expériences conduites au collisionneurs de particules BNL RHIC et CERN LHC montrent que l'émission azimutale de hadrons vers l'état final des collisions relativistes noyau-noyau est fortement anisotrope. Cette observation est compatible avec un paradigme hydrodynamique, selon lequel les hadrons observés dans l'état final sont émis à l'issue de l'expansion d'un milieu fluidiforme créée dans la région d'interaction. Ce paradigme prédit notamment que l'anisotropie de l'émission des particules est sensible à la déformation de l'état fondamental des noyaux interagissants. A travers des comparaisons de haute précision entre les données des expériences et le modèle hydrodynamique, j'étudie les manifestations phénoménologiques de la déformation des noyaux atomiques dans les collisions ¹⁹⁷Au+¹⁹⁷Au, ²³⁸U+ ²³⁸U, et ¹²⁹Xe+¹²⁹Xe. Cette analyse mène à des résultats remarquables. Les données de RHIC me permettent de conclure que la géométrie du noyau ²³⁸U est bien celle d'un ellipsoïde, ainsi que d'établir, pour la première fois dans une expérience, que le noyau ¹⁹⁷Au est presque sphérique. Les données venant du LHC montrent que le noyau ¹²⁹Xe est aussi bien ellipsoïdal dans l'état fondamental, ce qui apparaît être en désaccord avec les modèles théoriques de structure nucléaire. J'introduis ensuite une méthode pour isoler les configurations de collision où l'orientation des noyaux déformés brise la symétrie azimutale du système d'une façon maximale. Cela me permet de définir une nouvelle catégorie d'observables très sensibles à la déformation des noyaux qu'on utilise, en ouvrent ainsi le chemin vers des études quantitatives de la structure des noyaux atomiques en physique des hautes énergies.

Collider experiments conducted atthe BNL RHIC and at the CERN LHC show thatthe the emission of particles following the interactionof two nuclei at relativistic energy is highlyanisotropic in azimuthal angle. This observationis compatible with a hydrodynamic paradigm, accordingto which the final-state hadrons are emittedfollowing the expansion of a fluidlike systemcreated in the interaction region. Withinthis paradigm, anisotropy in the emission of particlesis enhanced whenever the colliding nucleihave deformed ground states. By meansof high-quality comparisons between the predictionsof hydrodynamic models and particle colliderdata, I study the phenomenological manifestationsof the quadrupole deformation of atomicnuclei in relativistic ¹⁹⁷Au+¹⁹⁷Au, ²³⁸U+²³⁸U,and ¹²⁹Xe+¹²⁹Xe collisions. This analysis demonstratesthat a deep understanding of the structureof the colliding ions is required for the interpretationof data in high-energy experiments. RHICdata confirms in particular the well-known factthat the geometry of ²³⁸U nuclei is that of a welldeformedellipsoid, while indicating that ¹⁹⁷Au nuclei are nearly spherical, a result which is atodds with the estimates of mean-field and empiricalnuclear models. LHC data brings instead evidenceof quadrupole deformation in the groundstate of ¹²⁹Xe nuclei, ascribable to the first visiblemanifestation of shape coexistence phenomena inhigh-energy nuclear experiments. I introduce asimple method to isolate collision configurationsthat maximally break azimuthal symmetry dueto the orientation of the deformed nuclei. Thisallows me to define observables with an unprecedentedsensitivity to the deformation of the collidingspecies, thus paving the way for quantitativestudies of nuclear structure at high energy.